人們一提起橡膠,就自然而然地聯想到由它制造的大大小小的輪胎和各式各樣的膠管、膠板、膠帶、膠圈以及許多人穿的膠鞋,還有兒童喜愛的橡皮玩具和氣球等等,所有這些物品的共同特點就是它們都有很好的彈性。
高彈性確實是橡膠Zui主要的特征,所以習慣上,橡膠和彈性體幾乎已成為一個同義詞。
然而在科學定義上,橡膠和彈性體是有區別的。國 際 標 準化組織對橡膠的解釋是:橡膠可在很寬的溫度范圍內(-50~150℃)呈現高彈性,即用較小的拉力就可以變長50%乃至1000%;除去外力后又能在幾秒鐘內基本恢復到它的原始尺寸,也就是說相差不超過原來尺寸的百分之幾。這與金屬、玻璃等許多固體材料的普通彈性或“普彈體”很不一樣。例如,鋼的彈性變形只在1%以下。橡膠的彈性隨溫度升高而增大,而一般材料則相反。橡膠拉伸時放熱,而一般材料則吸熱;而且,與一般材料不同,橡膠保持一定伸長的應力隨溫度升高而增加。特別要提出的是橡膠要獲得應用性能,一般需要改性,即通常所稱的“硫化”,硫化是將不定型的線性大分子變為交聯的網狀結構。未硫化的橡膠在低溫下變硬,高溫下變軟,不能保持形狀,力學性能低,幾乎沒有使用價值。
然而給彈性體下的定義則寬松得多,只是比較籠統地規定,它是一種在很小的作用力下就能明顯變形,作用力去除后又能迅速恢復到接近原有狀態和尺寸的高分子材料。
橡膠為什么富有彈性,這要從它的分子結構談起。
橡膠分子與其他高分子材料一樣,就像一個長長的鏈條,分子鏈是由許多結構相同的重復單元以化學鍵相連接而構成,這些重復單元可以叫做鏈節或鏈段。鏈節是指分子鏈中化學組成相同的Zui小單位;鏈段通常認為是由幾個到幾十個單體單元組成,或者它是分子鏈中具有某一種結構的部分,如聚酯鏈段、聚醚鏈段等。大家知道,分子鏈中的原子及化學鍵是處于不停的運動之中,并且在鏈節、鏈段及大分子之間均有一定的作用力。如果這些作用力不大,各鏈節、鏈段的相對運動有較大的自由度,而且分子鏈的內旋轉等運動所受阻力不大,那么,當分子量足夠大時(有價值的橡膠大分子鏈一般需要3000~5000甚至更多的單體結合在一起),分子鏈就會有很大的可變性和柔順性。在沒有外力作用時,它傾向于處在所謂能級Zui低的自然狀態,專家們形象地把處于這種狀態的大分子描繪成“不規則卷曲的互相纏結的分子線團”。當受外力拉伸時,卷曲的大分子線團會伸展;外力除去后,又會恢復到卷曲線團狀態,于是橡膠就有了高彈性。
當溫度逐漸降低,鏈段間的相對運動Zui終會被“凍結”,有彈性的橡膠就會變成玻璃一樣堅硬的材料。由橡膠態變為玻璃態的溫度稱之為玻璃轉變(化)溫度。橡膠與塑料不同之處是它的玻璃化溫度通常都在0℃以下。玻璃化溫度越低,常溫下的彈性越好。例如順丁橡膠的玻璃化溫度可達-100℃;硅橡膠的玻璃化溫度更低,達到-125℃。這些橡膠即使在冰天雪地的嚴寒環境下,也具有相當好的彈性。
高彈性固然是所有橡膠的Zui主要特征,然而卻不是惟一的特征。與彈性相伴的另一個重要特征是橡膠的高黏性。嚴格說來,高的黏彈性才是橡膠Zui典型的特征。人們利用這種特征充分發揮了橡膠在緩沖、防震、密封、回彈、減阻等應用方面獨特的作用。
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