橡胶的基本结构与性能

橡胶的基本结构与性能（1）

橡胶的分子特征

    构成橡胶弹性体的分子结构有下列特点：

①其分子由重复单元（链节）构成的长链分子。分子链柔软其链段有高度的活动性，玻璃化转变温度（Tg）低于室温；

②其分子间的吸引力（范德华力）较小，在常态（无应力）下是非晶态，分子彼此间易于相对运动；

③其分子之间有一些部位可以通过化学交联或由物理缠结相连接，形成三维网状分子结构，以限制整个大分子链的大幅度的活动性。

    从微观上看，组成橡胶的长链分子的原子和链段由于热振动而处于不断运动中，使整个分子呈现极不规则的无规线团形状，分子两末端距离大大小于伸直的长度。一块未拉伸的橡胶象是一团卷曲的线状分子的缠结物。橡胶在不受外力作用时，未变形状态熵值*大。当橡胶受拉伸时，其分子在拉伸方向上以不同程度排列成行。为保持此定向排列需对其作功，因此橡胶是抵制受伸张的。当外力除去时，橡胶将收缩回到熵值*大的状态。故橡胶的弹性主要是源于体系中熵的变化的"熵弹性"。

橡胶的基本结构与性能（2）

橡胶的应力-应变性质

    应力-应变曲线是一种伸长结晶橡胶的典型曲线，其主要组分是由于体系变得有序而引起的熵变。随着分子被渐渐拉直，使得分子链上支链的隔离作用消失，分子间吸引力变得显著起来，从而有助于抵抗进一步的变形，所以橡胶在被充分拉伸时会呈现较的高抗张强度。

    橡胶在恒应变下的应力是温度的函数。随温度的升高橡胶的应力将成比例地增大。

    橡胶的应力对温度的这种依赖称为焦耳效应，它可以说明金属弹性和橡胶弹性间的根本差别。在金属中，每个原子都被原子间力保持在严格的晶格中，使金属变形所做的功是用来改变原子间的距离，引起内能的变化。因而其弹性称为"能弹性".其弹性变形的范围比橡胶中主要由于体系中熵的变化而产生的"熵弹性"的变化范围要小得多。

    在一般的使用范围内，橡胶的应力-应变曲线是非线性的，因此橡胶的弹性行为不能简单地以杨氏模量来确定。

橡胶的基本结构与性能（3）

橡胶的变形与温度、变形速度和时间的关系

    橡胶分子的变形运动不可能在瞬时完成，因为分子间的吸引力必须由原子的振动能来克服，如果温度降低时，这些振动变得较不活泼，不能使分子间吸引力迅速破坏，因而变形缓慢。在很低温度下，振动能不足以克服吸引力，橡胶则会变成坚硬的固体。

    如果温度一定而变形的速度增大，也可产生与降低温度相同的效果。在变形速度极高的情况下，橡胶分子没有时间进行重排，则会表现为坚硬的固体。

    橡胶材料在应力作用下分子链会缓慢的被破坏，产生"蠕变",即变形逐渐增大。当变形力除去后，这种蠕变便形成小的不可逆变形、称为"长久变形"。

橡胶的基本结构与性能（4）

橡胶的热性能

①导热性 橡胶是热的**导体，其导热系数在厚度为25毫米时约为2.2~6.28瓦/米2·0K.是优异的隔热材料，如果将橡胶做成微孔或海绵状态，其隔热效果会进一步提高，使导热系数下降至0.4~2.0瓦。任何橡胶制件在使用中，都可能会因滞后损失产生热量，因此应注意散热。

②热膨胀 由于橡胶分子链间有较大的自由体积，当温度升高时其链段的内旋转变易，会使其体积变大。橡胶的线膨胀系数约是钢的20倍。这在橡胶制品的硫化模型设计中必须加以考虑，因为橡胶成品的线性尺寸会比模型小1.2~3.5%.对于同一种橡胶，胶料的硬度和生胶含量对胶料的收缩率也有较大的影响，收缩率与硬度成反比，与含胶率成正比。各种橡胶在理论上的收缩率的大小顺序为：

氟橡胶>硅橡胶>丁基橡胶>丁腈橡胶>氯丁橡胶>丁苯橡胶>天然橡胶

    橡胶制品在低温使用时应特别注意体积收缩的影响，例如油封会因收缩而产生泄漏，橡胶与金属粘合的制品会因收缩产生过度的应力而导致早期损坏。

橡胶的基本结构与性能（5）

橡胶的电性能

    通用橡胶是优异的电绝缘体，天然橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶和丁苯橡胶都有很好的介电性能，所以在绝缘电缆等方面得到广泛应用。丁腈橡胶和氯丁橡胶，因其分子中存在极性原子或原子基团，其介电性能则较差。在另一方面，在橡胶中配入导电炭黑或金属粉末等导电填料，会使它有足够的导电性来分散静电荷，或者甚至成为导电体

橡胶的基本结构与性能（6）

橡胶的气体透过性（气密性）

    橡胶的气透率是气体在橡胶中的溶解度与扩散度的乘积。气体的溶解度随橡胶的溶解度参数增加而下降，气体在橡胶中的扩散速度取决于橡胶分子中侧链基团的多少。气体在各种橡胶中的透过速度有很大的不同，在橡胶中气透性较低的是聚醚橡胶和丁基橡胶，丁基橡胶气透性只有天然胶的1/20.而硅橡胶的气透性*大。橡胶的气透性随温度的升高而迅速上升，对于使用炭黑作填料的制品来说，其品种和填充量对气透性能影响不大。但软化剂的用量大小对硫化胶的气透性能影响很大，对气透性能要求较高的橡胶制品，软化剂的用量尽可能减少为好。

橡胶的基本结构与性能（7）

橡胶的可燃性

    大多数橡胶具有程度不同的可燃性。而分子中含有卤素的橡胶如氯丁橡胶、氟橡胶等，则具一定的的抗燃性。因此，含有氯原子的氯丁胶和氯磺化聚乙烯在移开外部火焰后，既便燃烧也是困难的，而氟橡胶则完全是自行灭火的。在胶料中配入阻燃剂（例如磷酸盐或含卤素物质）可提高其阻燃性。