如何设计橡胶制品的高弹性

天然橡胶是一种树汁制成物，提取于热带国家的橡胶树。合成橡胶是由化学原料人工合成的。二者都是聚合物，都具有良好的弹性。这是因为橡胶分子中含有5个碳原子和8个氢原子，它们彼此之间接成长链状。又由于分子在高速运动着，运动中的分子总是互相挤来挤去，因此形成橡胶的高分子链不可能是直线状态，而必然呈卷曲状，而且许多分子会互相纠缠在一起，好像一团不规则的绒线团。如果用力去拉它，这种卷曲的分子链可以被拉长一些，而去掉拉力后，它又会缩回原来的形状，所以橡胶就具有了弹性。改善橡胶（回）弹性的因素：（仅供参考）1、生橡胶的弹性顺序如下：NR——EPDM——SBR——NBR——CR——IIR——ACM。2、提高胶料含胶率（或并用高回弹橡胶），弹性随交联密度的增加出现最大值。多硫键有较好的弹性。过氧化物有时也可以获得较好的弹性。3、对于NR，采用半有效硫化体系的硫化胶弹性最好。其次是普通、有效硫化体系。4、炭黑大粒径的相对好，FEF<SRF<ISAF<喷雾炭黑<碳酸钙<纳米高岭土<陶土，即只有既具有高结构性又具有一定粒径大小的炭黑所补强的硫化胶。少添加无极填料。5、使用适量相似相容的增塑剂，可以获得较佳的回弹性。非硫化型树脂一般会影响橡胶弹性。6、塑炼橡胶合理，混炼均匀，硫化温度按橡胶品种设计（不易过高）可以获得较佳弹性。

一、橡胶高弹性的本质原因

高弹性的本质原因和橡胶内部的分子结构有关系的。未经硫化的橡胶呈细团状，硫化后呈渔网状。硫化胶由于各种交联方式的不同，硬度不同，交联密度不同，含胶量不同等原因，表象也不相同。交联密度高了，分子间的键会增加分子束的强度，这时当外力作用下，交联键会给分子链一定的组合保护，因为分子链的长度不同，这时短的就会先因受力过大断掉。就象几条线不同长度的线很容易扯断，但是把几条线中间结几个扣，就会受力更均匀一些，也更不易断。当然交联密度过高就会从本质上改变橡胶大分子的特性，反而会弹性下降。二、高弹形变的特点1、形变量大，可达100%~1000%（对比普通金属弹性体的弹性形变不超过1%）；2、弹性模量低，约10的负一次方~10MPa（对比金属弹性模量，约10的四次方~10的五次方MPa）。

3、高弹形变的弹性模量与温度成正比，而金属的弹性模量随温度升高而下降。

4、形变过程有热效应，绝热拉伸（快速拉伸）时，材料会放热而使自身温度升高，金属材料则相反。

5、高弹形变有力学松弛现象（高弹形变时分子运动需要时间），而金属弹性体几乎无松弛现象。高弹性的本质是熵弹性形变过程熵减，储存能量T△S;

自发的熵增可使形变恢复，无能量损耗。三、高弹性的条件：1、柔性高，高分子链的柔性是出现高弹性的根本原因。只有在室温下不易结晶的柔性高聚物，才有可能成为具有高弹性的橡胶。2、分子链长，分子链越长，链段数越多，分子链就越柔顺，热运动越容易；分子量越大物理结点越多，链与链之间不容易滑移，有利于提高弹性。4、轻度交联，过度的交联会限制分子的链段运动，从而降低弹性。

四、橡胶弹性的影响因素：1、交联与缠结效应：交联点密度与网链密度的关系：

交联网链间的物理缠结也是影响弹性模量的因素2、溶胀效应：溶涨度大，网链密度降低，抑制诱发结晶，模量降低。3、网链的极限生长：非高斯效应，使应力或弹性模量增加。4、应变诱发结晶：拉伸网链沿着拉伸方向取向，有序增加，利于结晶。模量增大。5、填料，填料的加入可以提高模量、拉伸强度等。处于高弹态的橡胶类材料在小外力下就能发生100-1000%的大变形，而且形变可逆，这种宝贵性质使橡胶材料成为国防和民用工业的重要战略物资。高弹性源自于柔性大分子链因单键内旋转引起的构象熵的改变，又称熵弹性。高弹性------聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表现出的独特的力学性质，又称橡胶弹性。（一）、橡胶高弹性的本质原因高弹性的本质原因和橡胶内部的分子结构有关系的。未经硫化的橡胶呈细团状，硫化后呈渔网状。硫化胶由于各种交联方式的不同，硬度不同，交联密度不同，含胶量不同等原因，表象也不相同。交联密度高了，分子间的键会增加分子束的强度，这时当外力作用下，交联键会给分子链一定的组合保护，因为分子链的长度不同，这时短的就会先因受力过大断掉。就象几条线不同长度的线很容易扯断，但是把几条线中间结几个扣，就会受力更均匀一些，也更不易断。当然交联密度过高就会从本质上改变橡胶大分子的特性，反而会弹性下降。（二）、高弹形变的特点1、形变量大，可达100%~1000%（对比普通金属弹性体的弹性形变不超过1%）；2、弹性模量低，约10-1~10MPa（对比金属弹性模量，约104~105MPa）。

3、高弹形变的弹性模量与温度成正比，而金属的弹性模量随温度升高而下降。

4、形变过程有热效应，绝热拉伸（快速拉伸）时，材料会放热而使自身温度升高，金属材料则相反。

5、高弹形变有力学松弛现象（高弹形变时分子运动需要时间），而金属弹性体几乎无松弛现象。高弹性的本质是熵弹性变过程熵减，储存能量T△S;

自发的熵增可使形变恢复，无能量损耗。橡胶高弹性的熵本质在这五个特点中,熵弹性本质是橡胶高弹性特点中最根本的。理解了高弹性的熵本质,高弹性的其它特点就可迎刃而解了。如果在橡胶上作用有外力f,作为一个体系,那么热力学分析告诉我们,在等容和等温条件下橡胶试样的力学状态方程为,它告诉我们外力f如何导致橡胶条能量和熵的变化。等容是体积V不变,统计地讲分子间距不变,即分子间相互作用不变,只需考虑由于分子构象的改变而引起的能量和熵的改变,使问题简单,用分子观点解释橡胶弹性更为合宜。但等容条件下的实验不易实现,所以用等压条件下的实验来代替等容下的实验。加上为避免由于橡胶较大的热膨胀带来的低拉伸时的“热弹转变”(在伸长不大时,由于热膨胀引起的拉力减小超过了在此伸长时应该需要的拉力增大,致使拉力反随温度增加而稍有减小),用拉伸比λ=lΠl0恒定来代替伸长l恒定。这样,引入假定,既然在外力作用下,高分子链只是通过内旋转来改变它们的构象,能量不发生变化,所需的拉力只是克服范德华力,并不对化学键有什么影响,所需的作用力就会比改变键长或键角小很多,所以高弹模量将比普通材料的弹性模量要小几个量级(高弹性特点之三)。（三）、高弹性的条件：1、柔性高，高分子链的柔性是出现高弹性的根本原因。只有在室温下不易结晶的柔性高聚物，才有可能成为具有高弹性的橡胶。2、分子链长，分子链越长，链段数越多，分子链就越柔顺，热运动越容易；分子量越大物理结点越多，链与链之间不容易滑移，有利于提高弹性。4、轻度交联，过度的交联会限制分子的链段运动，从而降低弹性。

（四）、橡胶弹性的影响因素：1、交联与缠结效应：交联点密度与网链密