橡胶和弹性体材料 弹性体基础知识

第四章橡胶和弹性体材料第一节基本概念和基础知识第二节通用橡胶——NR、SBR、BR、EPDM、IIR、NBR、CR第三节特种橡胶——SiR、ACM、FKM第四节热塑性弹性体——共混型、共聚型第一节基本概念和基础知识1.1橡胶和弹性体的定义（重点－掌握）1.2橡胶弹性的特征和对高分子结构的要求（重点－掌握）1.3橡胶的分类1.4橡胶的配合1.5橡胶/弹性体材料的典型力学性能指标1.1橡胶和弹性体的定义1.1.1橡胶的定义根据美国材料测量协会（ASTMD1566）标准的定义：橡胶是一种材料，它在大的变形下能迅速地恢复其形变。橡胶能够被改性，改性的橡胶后的橡胶不能溶于有机溶剂中，但可溶胀。改性的实质是指橡胶的硫化（即交联）。硫化后的橡胶材料的高弹性的特征：18-29oC，长L0拉伸至2L0保持1min去除外力1min内恢复到小于1.5L01.1.2橡胶与弹性体在定义上的异同与关系“橡胶（rubber）”最早得名于西班牙探险家哥伦布在南美洲的探险活动——是“擦子”的意思。合成橡胶由于分子结构和交联机理与天然橡胶有很大的相似性，且通用合成橡胶主要是用来替代NR的，所以沿用了“橡胶”名称。一些特种橡胶的分子结构虽与NR不相类似，但是仍需化学交联（与NR类似），仍沿用“橡胶”。上世纪60～70年代开始，热塑性弹性高分子材料开始发展。这类材料在分子结构和交联机理与NR具有很大的不同，因此根据其高弹性特点，创造了“Elastomer，弹性体”以区别于传统的天然橡胶和化学交联的合成橡胶。后来弹性体逐步成为了具有“高弹性的高分子材料的统称”（ASTMD1566）。热塑性弹性体传统的橡胶材料：天然橡胶、合成橡胶弹性体其它高分子弹性体材料1.2弹性体材料高弹性的来源及其对分子结构的要求1.2.1橡胶弹性的来源橡胶弹性的来源于高分子链的熵弹性——当高分子材料受到外力发生较大的形变时，其分子链通过分子内旋转发生变形，整体的熵值减少。当外力去除，变形了的高分子链有向熵值较高的原始状态自发回复的趋势。1.2.2弹性体材料对结构的要求1.大分子链要有足够的柔性保证材料可以发生较大的变形保证外力去除后材料可以在熵增的驱动下形变回复2.在使用温度下要不结晶或结晶很少PE和POM虽然Tg都很低，但大量的结晶结构可将高分子的强迫高弹形变固定下来。拉伸结晶现象对于橡胶的高强度具有很大的贡献——如NR，IIR，CR和EPM等。3.在使用温度下分子链间相对滑移要小——否则制品会产生很大的永久变形分子链上要有可交联（化学或物理的）的位置。1.3橡胶的分类1.3.1按来源和用途分类天然橡胶合成橡胶特种合成橡胶通用合成橡胶异戊橡胶（IR）丁苯橡胶（SBR）丁基橡胶（IIR）乙丙橡胶（EPM，EPDM）顺丁橡胶（BR）氯丁橡胶（CR）丁腈橡胶（NBR）硅橡胶（SiR）丙烯酸酯橡胶（ACM）氟橡胶(FKM）氯醚橡胶（CO、ECO）大品种特种橡胶小品种特种橡胶1.3.2按化学结构分类碳链橡胶杂链橡胶不饱和非极性不饱和极性饱和非极性饱和极性天然橡胶（NR）丁苯橡胶（SBR）顺丁橡胶（BR）异戊橡胶（IR）丁腈橡胶（NBR）氯丁橡胶（CR）乙丙橡胶（EPM）丁基橡胶（IIR）氟橡胶（FKM）氯化聚乙烯（CPE）氯磺化聚乙烯（CSM)丙烯酸酯橡胶（ACM）硅橡胶（SiR）聚氨酯橡胶（PU）氯醚橡胶（CO、ECO)1.3.3其它分类方法按交联方式化学交联的传统橡胶热塑性弹性体——第三代橡胶按原料形态块状固体橡胶粉末橡胶液体橡胶2006年中国橡胶消费比例NRSBRBRSBS2006年我国共消耗橡胶516.6万吨，其中NR、SBR、BR、SBS四大品种占88％。1.4橡胶的配合橡胶的配合——指为了满足橡胶制品的性能、加工工艺和成本的要求，确定橡胶以及各种配合剂的种类和用量。橡胶配合体系通常包括5大体系：（1）生胶体系——母体和基体材料（2）硫化体系——使橡胶产生交联（3）填充增强体系——提高力学性能、降低成本（4）软化增塑体系——提高加工性能、提高制品柔软度和耐寒性（5）防护体系——提高橡胶的耐老化性能1.5弹性体材料的典型性能指标1.5.1拉伸强度交联的橡胶/热塑性弹性体试样在预先设定的速率（一般为500mm/min）被拉断时的工程应力。1.5.2断裂伸长率橡胶试验被拉断时的应变值，单位为％。1.5.3定伸应力弹性体材料在一定伸长时所承受工程应力。通常测100％和300％时的定伸应力。100％300％1.5.4硬度橡胶的硬度试验，是测定橡胶试样在一定外力作用下对压针的抵抗能力。硬度值的大小反映了橡胶的软硬程度。硬度计和压针示意图1.5.5撕裂强度橡胶材料在大形变下，往往先在某处出现小裂口，然后撕裂从该裂口处开始并扩展，直至材料破坏。撕裂强度表现了预制缺口的试验在变形时抵抗裂口扩展的能力。裤形撕裂试样单位:kN/m注意：不同类型的撕裂试样得到的撕裂强度数值各不相同!1.5.6疲劳性能硫化橡胶在周期性应力或应变的作用下，结构和性能的变化称为疲劳现象。定负荷压缩疲劳——古德里奇压缩疲劳试样负重主要指标包括：动态温升动态压缩永久变形1.5.7耐磨性能——阿克隆磨耗在阿克隆磨耗机上，使试样与砂轮成15o倾斜角和受26.7N的压力下，橡胶与砂轮磨耗1.61km，被磨损下的体积（单位