橡胶的高弹性
摘要：高弹性是高分子材料最具特色的性质，又叫橡胶弹性，橡胶具有宝贵的高弹性。
本文描述橡胶高弹性，及其他性能指标，和选择橡胶品种。
关键字：橡胶高弹性特点条件
绪论：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
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
五、橡胶的其他性能
橡胶除了高弹性还有其他性能指标，可以帮助我们根据橡胶制品使用要求选择相应的品种。
（1）拉伸强度，试样拉伸破坏时，原截面上单位面积所受的力
（2）扯断伸长率，试样拉伸破坏时，伸长部分与原长之比
（3）硬度，衡量橡胶抵抗变形的能力，通常用邵氏硬度计测量
（4）撕裂强度，表征橡胶耐撕裂性的好坏
例如天然橡胶（NR）以橡胶烃（聚异戊二烯）为主，含少量蛋白质、水分、树脂酸、糖类和无机盐等。
弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳，易于其它材料粘合，在综合性能方面优于多数合成橡胶。
缺点是耐氧和耐臭氧性差，容易老
化变质；耐油和耐溶剂性不好，第抗酸碱的腐蚀能力低；耐热性不高。
使用温度范围：约－60℃～＋80℃。
制作轮胎、胶鞋、胶管、胶带、电线电缆的绝缘层和护套以及其他通用制品。
特别适用于制造扭振消除器、发动机减震器、机器支座、橡胶－金属悬挂元件、膜片、模压制品。
顺丁橡胶（BR）是由丁二烯聚合而成的顺式结构橡胶。
优点是：弹性与耐磨性优良，耐老化性好，耐低温性优异，在动态负荷下发热量小，易于金属粘合。
缺点是强度较低，抗撕裂性差，加工性能与自粘性差。
使用温度范围：约－60℃～＋100℃。
一般多和天然橡胶或丁苯橡胶并用，主要制作轮胎胎面、运输带和特殊耐寒制品。
丁苯橡胶（SBR）丁二烯和苯乙烯的共聚体。
性能接近天然橡胶，是目前产量最大的通用合成橡胶，其特点是耐磨性、耐老化和耐热性超过天然橡胶，质地也较天然橡胶均匀。
缺点是：弹性较低，抗屈挠、抗撕裂性能较差；加工性能差，特别是自粘性差、生胶强度低。
使用温度范围：约－50℃～＋100℃。
主要用以代替天然橡胶制作轮胎、胶板、胶管、胶鞋及其他通用制品。
六、如何改善橡胶的耐热性和耐寒性，即扩大其使用温度的范围。
在高于一定温度时，橡胶由于老化而失去弹性；在低于一定温度时，橡胶由于玻璃化而失去弹性。
1、改善高温耐老化性能，提高耐热性（1）改变橡胶的主链结构
(a)主链不含双键;
(b)主链上含双键较少的丁基橡胶（异丁烯与异戊二烯）;
(c)主链上含S原子的聚硫橡胶;
(d)主链上含有O原子的聚醚橡胶;
(e)主链上均为非碳原子的二甲基硅橡胶;
（2）改变取代基结构
*带有供电子取代基的橡胶易氧化：天然橡胶、丁苯橡胶
*带有吸电子取代基的橡胶不易氧化：氯丁橡胶、氟橡胶
（3）改变交联链的结构
原则：含硫少的交联链键能较大，耐热性好，如果交联键是C-C或C-O，键能更大，耐热性更好。
（氯丁橡胶用ZnO硫化交联键为-C-O-C-，天然橡胶用过氧化物或辐射交联，交联键为-C-C-）
2、降低玻璃化温度，改善耐寒性
任何增加分子链的活动性，削弱分子间相互作用的措施都会使玻璃化温度下降，
任何降低聚合物结晶能力和结晶速度的措施均会增加聚合物的弹性，提高耐寒性（因为结晶就是高分子链或链段规整排列，它会大大增加分子间相互作用力，使聚合物强度增加，弹性下降）
加增塑剂：削弱分子间作用力
如氯丁胶Tg-45℃，加葵二酸二丁酯Tg（-80℃）可使其的Tg-62℃；如用磷酸三甲酚酯（-64℃）可使其Tg-57℃。
可见增塑效果不仅与增塑剂结构有关，还与它本身Tg有关，增塑剂的越低，则增塑聚合物的也越低。
（2）共聚
聚苯乙烯有大的侧基，所以主链内旋转难，较刚性，Tg高于室温，但共聚后的丁苯橡胶为-53℃，聚丙烯晴有极性，所以主链内旋转难，较刚性，Tg高于室温，用丁二烯与丙烯晴共聚后的丁睛橡胶为-42℃（3）降低聚合物结晶能力
线型聚乙烯分子链很柔，Tg很低，但由于规整度高，所以结晶，聚乙烯难以当橡胶用，引入体积较小的非极性取代基甲基来破坏其聚乙烯分子链的规整性，从而破坏其结晶性，这就是乙烯与丙烯共聚橡胶Tg =-60℃。
通过破坏链的规整性来降低聚合物结晶能力，改善了弹性但副作用是有损于强度。
参考资料
【1】彭志平高分子材料性能学授课讲义
【2】金日光，华幼卿，高分子物理（第四版）【M】北京;
化工业出版社，2013.7（2014年重印）
【3】凌绳，王秀芬，吴友平，聚合物材料【M】北京，中国轻工业出版社，2012.1。