4 温度对橡胶性能的影响
低分子物质有固、 液、 气三态 ,而高分子物质因 分子量大不可能出现气态。高分子物也没有真正的 液态 ,而只有粘度很高的粘流态。因此高分子的三 态是玻璃态、 高弹态和粘流态如图 4 所示。
4. 1 玻璃态
当温度相当低时(低于 Tg) ,橡胶表现得如同刚 体。 此时,大分子间的作用力很大,整个分子规模或 链段规模的运动均告停止,这时高聚物处于玻璃态, 已不具有橡胶的一切特性。
4. 2 高弹态
当温度上升到 Tg 以上时, 橡胶的链段活动恢复,逐渐呈示柔性和弹性。 大分子间的范德华力构成
分子间的相对定位,分子链之间出现强烈的复原倾 向。 两者综合在一起形成高弹性。 高弹性是橡胶*基 本、
*主要的特性,无论哪一种橡胶制品都希望拥有 其它材料所没有的高弹性。 橡胶的高弹性跟其它材 料的普弹性有很大的差别,弹性是指物体受外力作
用时产生形变, 外力释后立即恢复原状的性质, 金 属、 纤维在不同程度上都具有这种特性,不同的是一
般材料受拉伸时,在一定应力范围内,应力与应变成 线性关系,即符合于虎克定律:
E(弹性模量) =δ(应力) /ε(应变)
而当应力超 出一定范围时 ,这种线性关系不复 存在 ,如图 5 所示。
当超过 P 点(称为比例极限)时 , 由直线演变为曲线;而过了 y 点(称为弹性极限)时 , 变形不再复原 ,导致材料的塑性流动。
钢是典型的普弹材料 ,具有模量高 ,应变小两大 特点 ,其扯断伸长率不大于 1 % ,而弹性模量则高达 2 ×10的6次方 公斤/ 厘米2
,而橡胶的弹性则表现得完全不 同 ,在应力 —应变曲线中的直线部分 (符合虎克定 律)只保持很短的一段(应变 < 5 %)
,弹性模量很低 (100 %定伸强度仅几十公斤/ 厘米2 ,即 10MPa 以 下) ,而应变量则很大 ,象 NR 在拉伸 1000 %时仍保
持不断 ,应力 —应变曲线的形状 ,也有很大的不同 , 如图 6 所示。
橡胶与其它高分子材料(如塑料、 纤维)相比 ,在 弹性特征上又有明显不同 ,即常温下处于高弹态。
4. 3 粘流态
当温度 ≥流动温度 Tf 后,橡胶在外力下不复 呈弹性而呈塑性, 即出现不可逆变形, 变成粘稠流 体,称为粘流态。 此时,橡胶出现以下特性:
(1)链段的无规则运动(布朗运动)大大加剧;
(2)粘度随分子量的增加而增加;
(3)粘度与外力不成线性关系 ,对一般流体而言 ,外力越大 ,粘度越小 ,流动速度越快 ,因此符合
牛顿定律 D =σ /η
式中 D —流动速度,σ—剪切应力,η—粘度。 但是对非牛顿流体的橡胶而言,则不服从 上式,而遵循下式.
D =1/ η·(σ- σ 1)
所以只有当σ 1 达到一定值时,橡胶才会开始流 动。
影响橡胶粘流特性的因素有:
(1)分子量 当橡胶处于粘流态时 ,是以整个分 子规模运动的 , 因此跟g M (平均分子量) 密切相关。 g M 愈大,则活动时所受牵制也愈大, Tf 愈高。 塑炼 就是为了降低 Tf ,使胶料在混炼时处于粘流态。
(2) 增塑剂、 软化剂 加入增塑剂、 软化剂旨在 降低分子间力从而降低 Tf 。 (3)交联 分子间一旦形成网状结构(即完成交 联) ,则大分子丧失了流动能力 ,即从高分子的“三 态” 变为“二态”。
综上所述 ,高聚物的三态 ,对橡胶的加工和应 用 ,都有密切关系。从加工角度来看 ,要求各种操作 在粘流态下进行 ,而应避免高弹态的出现 ,否则将不 利于操作。例如炼胶时会发生脱辊 ,挤出时出现过 量膨胀 ,压延时则产生表面不光或收缩过剧等。
5 结语
以上从四个方面介绍了橡胶结构与其性能之间 的关系 ,概括言之 ,橡胶性能主要取决于其内部结 构 ,但也受外部条件的影响 ,所谓内因、 外因同时在 起作用。因此掌握分子结构规律 ,掌握合适的外界 条件，对加工、应用和设计至关重要。
