橡胶有些什么特性?
人们一提起橡胶,就自然而然地联想到由它制造的大大小小的轮胎和各式各样的胶管、胶板、胶带、胶圈以及许多人穿的胶鞋,还有儿童喜爱的橡皮玩具和气球等等,所有这些物品的共同特点就是它们都有很好的弹性。
高弹性确实是橡胶最主要的特征,所以习惯上,橡胶和弹性体几乎已成为一个同义词。
然而在科学定义上,橡胶和弹性体是有区别的。国际标准化组织对橡胶的解释是:橡胶可在很宽的温度范围内(-50~150℃)呈现高弹性,即用较小的拉力就可以变长50%乃至1000%;除去外力后又能在几秒钟内基本恢复到它的原始尺寸,也就是说相差不超过原来尺寸的百分之几。这与金属、玻璃等许多固体材料的普通弹性或“普弹体”很不一样。例如,钢的弹性变形只在1%以下。橡胶的弹性随温度升高而增大,而一般材料则相反。橡胶拉伸时放热,而一般材料则吸热;而且,与一般材料不同,橡胶保持一定伸长的应力随温度升高而增加。特别要提出的是橡胶要获得应用性能,一般需要改性,即通常所称的“硫化”,硫化是将不定型的线性大分子变为交联的网状结构。未硫化的橡胶在低温下变硬,高温下变软,不能保持形状,力学性能低,几乎没有使用价值。
然而给弹性体下的定义则宽松得多,只是比较笼统地规定,它是一种在很小的作用力下就能明显变形,作用力去除后又能迅速恢复到接近原有状态和尺寸的高分子材料。
橡胶为什么富有弹性,这要从它的分子结构谈起。
橡胶分子与其他高分子材料一样,就像一个长长的链条,分子链是由许多结构相同的重复单元以化学键相连接而构成,这些重复单元可以叫做链节或链段。链节是指分子链中化学组成相同的最小单位;链段通常认为是由几个到几十个单体单元组成,或者它是分子链中具有某一种结构的部分,如聚酯链段、聚醚链段等。大家知道,分子链中的原子及化学键是处于不停的运动之中,并且在链节、链段及大分子之间均有一定的作用力。如果这些作用力不大,各链节、链段的相对运动有较大的自由度,而且分子链的内旋转等运动所受阻力不大,那么,当分子量足够大时(有价值的橡胶大分子链一般需要3000~5000甚至更多的单体结合在一起),分子链就会有很大的可变性和柔顺性。在没有外力作用时,它倾向于处在所谓能级最低的自然状态,专家们形象地把处于这种状态的大分子描绘成“不规则卷曲的互相缠结的分子线团”。当受外力拉伸时,卷曲的大分子线团会伸展;外力除去后,又会恢复到卷曲线团状态,于是橡胶就有了高弹性。
当温度逐渐降低,链段间的相对运动最终会被“冻结”,有弹性的橡胶就会变成玻璃一样坚硬的材料。由橡胶态变为玻璃态的温度称之为玻璃转变(化)温度。橡胶与塑料不同之处是它的玻璃化温度通常都在0℃以下。玻璃化温度越低,常温下的弹性越好。例如顺丁橡胶的玻璃化温度可达-100℃;硅橡胶的玻璃化温度更低,达到-125℃。这些橡胶即使在冰天雪地的严寒环境下,也具有相当好的弹性。
高弹性固然是所有橡胶的最主要特征,然而却不是惟一的特征。与弹性相伴的另一个重要特征是橡胶的高黏性。严格说来,高的黏弹性才是橡胶最典型的特征。人们利用这种特征充分发挥了橡胶在缓冲、防震、密封、回弹、减阻等应用方面独特的作用。
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