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1、聚合物的高弹性本讲稿第一页，共三十一页高弹性高弹性本讲稿第二页，共三十一页一、橡胶高弹性一、橡胶高弹性的特点的特点二、橡胶高弹性的本质二、橡胶高弹性的本质（通过热力学分析通过热力学分析）通过本章的学习，可以理解和掌握橡胶弹性产通过本章的学习，可以理解和掌握橡胶弹性产生的原因及特点，指导橡胶的使用和加工生的原因及特点，指导橡胶的使用和加工。高弹性高弹性学习的内容：学习的内容：本讲稿第三页，共三十一页橡胶种类代号中文名称中文名称英文名称英文名称代号代号ASTMASTM代号代号天然橡胶天然橡胶Natutal RubberNatutal RubberNRNRAAAA异戊橡胶异戊橡胶Polyisopre
2、nePolyisopreneIRIRAAAA丁苯橡胶丁苯橡胶Styrene butadiene copolymeStyrene butadiene copolymeSBRSBRAAAA顺丁橡胶顺丁橡胶PolybutadienePolybutadieneBRBRAA.BAAA.BA丁基橡胶丁基橡胶Butyl RubberButyl RubberIIRIIRBABA乙丙橡胶乙丙橡胶Ethylene propylene RubberEthylene propylene RubberEPDMEPDMAA.BA.CA.DAAA.BA.CA.DA氯丁橡胶氯丁橡胶PolychloroprenePolychl
3、oropreneCRCRBC.BEBC.BE本讲稿第四页，共三十一页丁睛橡胶丁睛橡胶Nitrle RubberNitrle RubberNBRNBRBF.BG.BK.CHBF.BG.BK.CH聚氨酯橡胶聚氨酯橡胶Urethane RubberUrethane RubberPUPUBGBG氯磺化聚乙烯橡氯磺化聚乙烯橡胶胶Hypalon PolyethyleneHypalon PolyethyleneCSMCSMCECE丙烯酸酯橡胶丙烯酸酯橡胶Polyacrylate RubberPolyacrylate RubberACMACMDF.DH.EHDF.DH.EH氯酯橡胶氯酯橡胶Epichloroh
4、ydrinEpichlorohydrinECOECOCECE乙烯乙烯-丙烯酸橡丙烯酸橡胶胶VamacEthylene/AcrylicVamacEthylene/AcrylicE/AE/AEEEE硅橡胶硅橡胶Silicone RubberSilicone RubberSISIFC.FE.GEFC.FE.GE氟素橡胶氟素橡胶Fluoro Carbon RubberFluoro Carbon RubberFPMFPMHKHK氢化丁睛橡胶氢化丁睛橡胶Hydrogenate NitrileHydrogenate NitrileHNBRHNBRDHDH氟素硅橡胶氟素硅橡胶Fluorinated Silic
5、one Fluorinated Silicone RubberRubberFLSFLSFKFK本讲稿第五页，共三十一页 通俗概念：通俗概念：施加外力时发生大的形变，外力除去后施加外力时发生大的形变，外力除去后可以回复的弹性材料。可以回复的弹性材料。橡胶的定义ASTMASTM规定：规定：20203030下、下、1min1min可拉伸可拉伸2 2倍的试样，倍的试样，当外力除去后当外力除去后1min1min内至少回缩到原长的内至少回缩到原长的1.51.5倍以下倍以下者或者在使用条件下，具有者或者在使用条件下，具有106106107Pa107Pa的杨氏模量的杨氏模量者称为橡胶。者称为橡胶。本讲稿第六页
6、，共三十一页例如：例如：钢铁：钢铁：1.96 109N/m2PS：0.25 108N/m2NR:0.21 104N/m2E=/应力应力 形变形变弹性模量是指单位形变所需要的应弹性模量是指单位形变所需要的应力。抵抗外力产生形变的能力力。抵抗外力产生形变的能力E随着温度升高而增大，而金随着温度升高而增大，而金属材料的属材料的E则相则相反反 1.弹性模量小，弹性模量小，E很小很小7.1.17.1.1橡胶高弹性的特点橡胶高弹性的特点高弹性高弹性本讲稿第七页，共三十一页应变：当材料受到外力作用，几何形状和尺寸发生变化，这种变应变：当材料受到外力作用，几何形状和尺寸发生变化，这种变化叫应变。化叫应变。应力
7、：材料单位面积上的附加内力叫应力。应力：材料单位面积上的附加内力叫应力。附加内力：附加内力：材料发生宏观形变时，其内部分子间以及分子内各材料发生宏观形变时，其内部分子间以及分子内各原子间的相对位置和距离就要发生变化，产生了原子间及分原子间的相对位置和距离就要发生变化，产生了原子间及分子间的附加内力，抵抗着外力，并力图恢复到变化前的状态，子间的附加内力，抵抗着外力，并力图恢复到变化前的状态，达到平衡时，附加内力与外力大小相等，方向相反。达到平衡时，附加内力与外力大小相等，方向相反。高弹性高弹性本讲稿第八页，共三十一页2.2.弹性形变大弹性形变大 可达可达100%1000，金属，金属 0说明形变终
8、态是个不稳定说明形变终态是个不稳定的体系，当外力除去后，就会自发的体系，当外力除去后，就会自发的回复到初态，这说明为什么橡胶的高弹形变可恢复。同的回复到初态，这说明为什么橡胶的高弹形变可恢复。同时说明高弹性主要是由橡胶内熵的贡献时说明高弹性主要是由橡胶内熵的贡献高弹性的本质是熵弹性高弹性的本质是熵弹性高弹性高弹性本讲稿第二十三页，共三十一页（3）在拉伸的过程中，内能不变，在）在拉伸的过程中，内能不变，在 V 不变下不变下-fdl=TdS=dQ当拉伸时当拉伸时dl 0，dQ 0 体系是放热体系是放热当压缩时当压缩时dl 0，f 0，dQ 0 放热放热 过程进行的快过程进行的快,体系来不及与外界进
9、行热交换体系来不及与外界进行热交换,拉伸功使橡胶拉伸功使橡胶升温升温.高弹性高弹性（4）E 小：形变大，应力小，因熵的变化是通过构象小：形变大，应力小，因熵的变化是通过构象的重排实现的，克服的是次价力。的重排实现的，克服的是次价力。本讲稿第二十四页，共三十一页橡胶的热橡胶的热力学方程力学方程橡胶弹性是熵弹性橡胶弹性是熵弹性,回弹动力是熵增回弹动力是熵增.高弹性高弹性本讲稿第二十五页，共三十一页材料之所以呈现高弹性，是由于链段运动能比较迅速的适应材料之所以呈现高弹性，是由于链段运动能比较迅速的适应所受外力而改变分子链的构象。所受外力而改变分子链的构象。这就要求链在常温下能够充分显示出柔性这就要求
10、链在常温下能够充分显示出柔性那么，结论：柔性很好的链，必定会形成高弹性的材料？那么，结论：柔性很好的链，必定会形成高弹性的材料？Conclution：在常温下不易结晶的由柔性分子链组成的聚合在常温下不易结晶的由柔性分子链组成的聚合物才具有高弹性物才具有高弹性7.1.2.37.1.2.3高弹性和分子链结构的关系高弹性和分子链结构的关系橡胶的弹性橡胶的弹性本讲稿第二十六页，共三十一页答：橡胶的热力学方程是：答：橡胶的热力学方程是：其物理意义是：橡胶的张力是由于形变时内能发生变化其物理意义是：橡胶的张力是由于形变时内能发生变化和熵发生变化所引起的。和熵发生变化所引起的。1.1.试述橡胶的热力学方程的
11、意义，并解释其拉伸过程中的放热试述橡胶的热力学方程的意义，并解释其拉伸过程中的放热效应和具有负的膨胀系数。效应和具有负的膨胀系数。橡胶的弹性橡胶的弹性本讲稿第二十七页，共三十一页橡胶的弹性橡胶的弹性 因为橡胶的高弹形变是可回复的，即其形变过程是可逆的。在恒因为橡胶的高弹形变是可回复的，即其形变过程是可逆的。在恒温可逆过程中：温可逆过程中：而橡胶在拉伸过程中的熵变是减小的，即而橡胶在拉伸过程中的熵变是减小的，即故故即橡胶在拉伸过程中放热。即橡胶在拉伸过程中放热。本讲稿第二十八页，共三十一页橡胶的弹性橡胶的弹性 由热力学第一定律可知：体系内能的变化由热力学第一定律可知：体系内能的变化dU等于体系吸
12、收等于体系吸收的热量的热量dQ减去体系对外所作的功减去体系对外所作的功dW，即，即而橡胶在形变过程中内能和体积几乎不发生变化，即而橡胶在形变过程中内能和体积几乎不发生变化，即故：故：当体系受热时：当体系受热时：则则即体系受热升温时，橡胶收缩，故其具有负的膨胀系数。即体系受热升温时，橡胶收缩，故其具有负的膨胀系数。本讲稿第二十九页，共三十一页 2.不受外力作用，橡皮筋受热伸长；在恒定外力作用下，受不受外力作用，橡皮筋受热伸长；在恒定外力作用下，受热收缩，试用高弹性热力学理论解释热收缩，试用高弹性热力学理论解释。解：（解：（1）不受外力作用，橡皮筋受热伸长是由于正常的热膨）不受外力作用，橡皮筋受热
13、伸长是由于正常的热膨胀现象，本质是分子的热运动。胀现象，本质是分子的热运动。（2）恒定外力下，受热收缩。分子链被伸长后倾向于收缩卷曲，）恒定外力下，受热收缩。分子链被伸长后倾向于收缩卷曲，加热有利于分子运动，从而利于收缩。其弹性主要是由熵变引起加热有利于分子运动，从而利于收缩。其弹性主要是由熵变引起的，的，中，中，f定值，所以，定值，所以，即收缩，而且随即收缩，而且随T增加，收缩增加。增加，收缩增加。橡胶的弹性橡胶的弹性本讲稿第三十页，共三十一页 3.在橡胶下悬一砝码，保持外界不变，升温时会发生什么现象？在橡胶下悬一砝码，保持外界不变，升温时会发生什么现象？解：橡胶在张力（拉力）的作用下产生形变，主要是熵变化，解：橡胶在张力（拉力）的作用下产生形变，主要是熵变化，即蜷曲的大分子链在张力的作用下变得伸展，构象数减少。即蜷曲的大分子链在张力的作用下变得伸展，构象数减少。熵减少是不稳定的状态，当加热时，有利于单键的内旋转，熵减少是不稳定的状态，当加热时，有利于单键的内旋转，使之因构象数增加而卷曲，所以在保持外界不变时，升温会使之因构象数增加而卷曲，所以在保持外界不变时，升温会发生回缩现象。发生回缩现象。橡胶的弹性橡胶的弹性本讲稿第三十一页，共三十一页