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聚合物的高弹性

高弹态是聚合物特有的基于链段运动的—种力学状态,是指在常温下具有高弹形变(形变量很大且随外力除去可回交平衡状态)的特殊物理性质。高弹性是高分子材料的独特物理性能,也是橡胶类物质所具有的最宝贵的一种物理性能。普通固体材料在常温下具有普弹形变,这种特征叫普弹性。

        高弹性是高分子材料的一个重要特性,其中尤以橡胶类物质的弹性最大。它有如下特征:

      1、弹性模量很小而形变量很大

        因此把橡胶类物质的弹性形变叫做高弹形变。一般铜、钢等的形变量只有原试样的

1%,而橡胶的高弹形变则可达l 000%。橡胶的弹性模量比其它固体物质小一万倍以上(表)。

 

各种材料的弹性模量    Mpa

   

弹性模量

   

   

弹性模量

   

200000~220000

金属材料

赛璐珞

1 300~2 500

   

100400

金属材料

硬橡皮

250~500

   

石英晶体

80000100000

结构材料

聚乙烯

200

柔韧塑料

天然丝线

6500

   

   

120~400

   

牵伸尼线66

5000

   

   

0.2~8

 

聚苯乙烯

2500

脆性塑料

气体(标准状态)

0.1

 

 

       橡胶是由线型的长链分子组成的,由于热运动,这种长链分子在不断地改变着自己的形状,因此在常温下橡胶的长链分子处于蜷曲状态。因此把蜷曲分子拉直就会显示出形变量很大的特点。当外力使蜷曲的分子拉直时,由于分子链中各个环节的热运动,力图恢复原来比较自然的蜷曲:吠态,形成了对抗外力的回缩力,正是这种力促使像胶形变的自发回复,造成形变的可逆性。但是这种回缩力毕竟是不大的,所以橡胶在外力不大时就可以发生较大的形变,因而弹性模量很小。

        2、弹性模量随温度的升高而增加

        当发生高弹形变时,在外力作用下,材料的伸长导致分子链空间排列有方向性,分子链不得不顺着外力场的方向舒展开来,而热运动力图使分子链回复到卷曲状态,这种回缩力与温度有关。随着温度的升高,分子热运动加强,回缩力增大,弹性模量增加,弹性形变变小。

        3、泊松比大

各向固性的材料在拉伸(或压缩)时,横向单位尺寸的变化(横向应变)与纵向单位尺寸的变化(纵向或轴向应变)之比,称为泊松比。

泊松比(Υ)=(ΔC/C)÷(ΔL/L

式中:C—一宽度;L——长度。

        泊松比又叫横向形变系数。材料在变形过程中体积不变,Υ0.5;若体积变化,则Υ0.5。一般材料的泊松比在0.20.5之间,橡胶和液体均接近0.5,所以,橡胶可看做不可压缩的液体。

        4、形变需要时间

        橡胶受到外力压缩成拉伸时,形变总是随时间而发展的,最后达到最大形变,这种现象称为蠕变;或者,拉紧的橡皮带会逐渐变松,这种应力随时间而下降或消失的现象称为应力松弛。蠕变和应力松弛统称为力学松弛,对橡胶的使用性能是很重要的。

        为什么有力学松弛现象呢?由于橡胶是一种长链分子,整个分子的运动或链段的运动都要克服分子间的作用力和内摩擦力。高弹形变就是靠分子链段的运动来实现的,整个分子链从一种平衡状态过渡到外力相适应的平衡状态,可能需要几分钟,几小时甚至几年,就是说在一般情况下形变总是落后于外力。昕以橡胶发生形变需要时间。

      5、形变时有热效应

如果把橡胶的薄片拉长,把它贴在嘴唇或面颊上,就会感到橡皮在伸长时会发热,回缩时会吸热,而且伸长时的热效应随伸长率而增加见下表,通常称为热弹效应。

 

   伸长率与伸长热的关系

伸长率%

100     200     300     400     500     600     700     800

伸长热kJ/kg

2.1      4.2     7.5     11.1     14.6     18.2    22.2    27.2

 

        橡胶伸长变形时,分子链或链段由混乱排列变成比较规则的排列,此时熵值减少;同时由于分子间的内摩擦而产生热量;另外,由于分子规则排列而发生结晶,在结晶过程中也会放出热量。由于上述三种原因,使像胶被拉伸时放出热量。

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