神奇的高分子 延伸阅读之—弹性、弹性体、橡胶

 

弹性体 – 引定义及其内涵

 

首先根据美国测量与材料协会(ASTM)颁布的ASTM D1566-07a标准,“Standard Terminology Relating to Rubber(橡胶相关标准术语学)”来辨析一下这两个词的定义及其涵盖范围。

 rubber

material that is capable of recovering from large deformations quickly and forcibly, and can be, or already is, modified to a state in which it is essentially insoluble (but can swell) in boiling solvent, such as benzene, methyl ethyl ketone, or ethanol-toluene azeotrope.

DISCUSSION—A rubber in its modified state, free of diluents, retracts within 1 min to less than 1.5 times its original length after being stretched at room temperature (18 to 29°C) to twice its length and held for 1 min before release.
以上就是该标准对于橡胶(rubber)的定义。从这个定义包含两层含义:(1)是说明了橡胶材料的力学特征——能够从大变形迅速而强烈的回复;(2)是说明了橡胶可以被改性(实际上就是化学交联)到不溶解、可溶胀的状态——能够被改性(或已经被改性)至一种不能被沸腾溶剂(如苯、甲基乙基酮、乙醇-甲苯共沸物)溶解(但可以溶涨)的状态。
该定义还对改性后的橡胶(不含稀释剂,可能是指增塑剂)的力学性能特点做了更明确的解释——在(18-29C)温度范围下被拉伸至本身原始长度的2倍并保持1min后撤出外力,能够在1min内回缩到小于其1.5倍原长。

 

elasticity

 

rapid recovery of a material to its approximate initial shape and dimensions after substantial deformation by force and subsequent release of that force.

以上就是对于弹性的定义,大义为:材料在受力发生大变形再撤出外力后迅速回复其近似初始形状和尺寸。

 elastomer

 

an elastic polymer. 弹性体的定义很简单,所谓弹性体是指玻璃化温度低于室温,扯断伸长率>50%,外力撤出后复原性较好的高分子化合物。根据以上定义我们可以看出橡胶(Rubber)与弹性体(Elastomer)这两个词的内涵的异同之处。首先这两个词都是具有高弹性(elasticity)的物质,但是rubber的范围更窄一些,是能够被交联成不溶解、可溶涨状态的材料。所以就严格意义的橡胶与弹性体材料来说,弹性体是包含橡胶的名词。

弹性体 – 历史背景

 

下面再简单介绍一下橡胶、弹性体这些词产生的历史背景。考古研究表明橡胶这种材料3500年前就被人类做成皮筋用来将石斧和手柄绑扎在一起、制成小球、实心或空心的人形小雕像(G. Heinrich, et al. Reinforcement of elastomers. Current Opinion in Solid State and Materials Science 6 (2002) 195–203)。因橡胶这种材料是从南美洲三叶橡胶树割开树皮流出的白色浆液得到的,所以被当地土著人称为“Cahuchu”,意为“树之眼泪”。1493-1496年,哥伦布第二次来到南美洲,发现 海地土著人用橡胶制成的小球具有高弹性,将其作为奇珍带回了欧洲。后来人们发现这些橡胶球能够擦除铅笔的痕迹,就给这种材料命名为“擦子”,英文就是“Rubber”了(英文“Rub”就是擦除擦掉的意思)。这时的rubber就是指天然橡胶了。1839年美国人Goodyear发明了橡胶的硫化,就是使线形的橡胶大分子被交联成三维网络结构(不溶解,可熔融)工艺方法,从而奠定了近代橡胶加工工业的基础。后来在研究天然橡胶分子结构的基础上,人类又相继发明了很多种聚合物与天然橡胶具有类似的高弹性,但是硫化工艺还是这些聚合物在加工中不可或缺的独特工艺,因而也称它们为橡胶,但在橡胶前加“合成”与从天然植物中获得的橡胶相区别。但是在上个世纪70年代,出现了一种不需硫化而只需用简单塑料工艺即可加工的具有橡胶弹性的热塑性高分子材料,其分子结构和加工工艺特征与天然橡胶和合成橡胶有明显的不同,再使用橡胶来命名已经不合适了。为了与一般的塑性体相区分,人们将这类高分子材料称为“elastomer”,中文就是弹性体了。“elasticity和elastic”在英文中就是弹性和有弹性的意思。后来弹性体的含义在学术界得到了不断的扩展。在上个世纪九十年代,弹性体指热塑性弹性体和不能用硫黄硫化的各种特殊饱和橡胶(于清溪.橡胶原材料手册.化学工业出版社)。目前“弹性体”更扩展为具有弹性的聚合物的总称。

弹性体 – 表现材料的高弹性

 

随着科学技术的发展,各个学科不断交叉,有一些领域也借用rubber这个词,主要是表现材料的高弹性。“Metal Rubber”(金属橡胶)就是一个很好的例子。在阻尼减震吸声领域,将一定质量的、拉伸开的、螺旋状的金属丝堆放好,然后用冷冲压工艺成型均质的弹性多孔物质称为“金属橡胶”(金属橡胶材料声学参数理论计算及实验研究. 声学学报2007.11)。美国弗吉尼亚州布莱克斯堡的纳米声波实验室的化学家们利用静电吸引作用对电解质分子进行组装研制出了一种新型材料。可以把它扭曲;可以把它拉长一倍;可以把它放进油里“煮”到200℃,仍然丝毫无损。经受这些后,它可以很快像橡胶一样恢复原状,而且它还像固体金属那样可以导电。因而这种材料也被称为“金属橡胶”。该材料在诸如人造肌肉、智能衣服、活动机翼等各领域具有潜在的应用价值。(新型材料——金属橡胶. 金属世界2007.5)

弹性体 – 弹性体的分类

 

弹性体分类简述

 

根据弹性体是否可塑化可以分为热固性弹性体、热塑性弹性体二大类。热固性弹性体,这也就是传统意义的橡胶(Rubber),热塑性弹性体(Thermoplastic elastomer),缩写为TPE,为上世纪90年代开始逐渐被越来越多的商业化应用。这个分类同样也说明了这二类弹性体加工所采用的是二种不同的方式:橡胶用热固性设备加工,TPE采用热塑性设备加工。
由以上的传统历史背景所知,目前尤其在国内当谈到弹性体的时候,所指的通常是热塑性弹性体,而并不包含橡胶的含义,这也影响到了一些具体的技术交流。但随着时间的推移,以及一些国外书籍的引入,将改变大家约定俗成的观念。(弹性体手册(第二版) 吴棣华等译) 弹性体按材质分类

 

弹性体按照原料组成分类如下:
1. 传统橡胶(Rubber):
1.1 不饱和橡胶 
天然橡胶 Natural rubber (NR)
异戊橡胶 Synthetic polyisoprene (IR)
聚丁二烯橡胶 Polybutadiene (BR)
丁苯橡胶 Styrene-butadiene Rubber (copolymer of polystyrene and polybutadiene, SBR)
丁睛橡胶Nitrile rubber (copolymer of polybutadiene and acrylonitrile, NBR)
氯丁橡胶Chloroprene rubber (CR)
1.2 饱和橡胶 
丁基橡胶 Isobutylene Isoprene Rubber (IIR) 或 Butyl Rubber
卤化丁基橡胶 Halogenated butyl rubbers ( 氯化丁基橡胶chloro isobutylene isoprene rubber: CIIR; 溴化丁基橡胶bromo isobutylene isoprene rubber: BIIR)
二元乙丙橡胶和 三元乙丙橡胶 EPM (ethylene propylene rubber, a copolymer of ethylene and propylene) and EPDM rubber (ethylene propylene diene rubber, a terpolymer of ethylene, propylene and a diene-component)
氯醚橡胶 Epichlorohydrin rubber (ECO)
聚丙烯酸酯橡胶 Polyacrylic rubber (ACM, ABR)
硅橡胶 Silicone rubber (SI, Q, MVQ)
氟硅橡胶 Fluorosilicone Rubber (FVMQ)
氟橡胶 Fluoroelastomers (FKM, and FEPM)
氯磺化聚乙烯 Chlorosulfonated polyethylene (CSM), (Hypalon)
氢化丁睛橡胶 Hydrogenated Nitrile Rubbers (HNBR)
2. 热塑性弹性体(TPE):
热塑性聚烯烃弹性体 Thermoplastic Elastomer-Olefine (TPE-O, TEO)
热塑性苯乙烯类弹性体 Styrenic thermoplastic elastomer (TES, TPE-S)
聚氨酯类热塑性弹性体 Themoplastic Polyurethane elastomer (TPE-U, TPU)
聚酯类热塑性弹性体 Thermoplastic polyester elastomer (TPE-E, TEEE)
聚酰胺热塑性弹性体 Polyamide thermoplastic elastomer (TPE-A)
含卤素热塑性弹性体 Thermoplastic Halogenated elastomer
离子型热塑性弹性体 Ionic thermoplastic elastomer
乙烯共聚物热塑性弹性体 Ethylene copolymer thermoplastic elastomer) (EVA)
1,2聚丁二烯热塑性弹性体 Thermplastic 1,2-poly-butadiene elastomer
反式聚异戊二烯热塑性弹性体 Thermoplastictrans-polyisoprene elastomer
熔融加工型热塑性弹性体 Melt Processible thermoplastic elastomer (商品名Alcryn)
热塑性硫化胶 Themoplastic Vulcanizates (TPV)

弹性体 – 弹性体测试

 

弹性体测试主要是对弹性体材料及零部件包括橡胶垫板、铁垫板下弹性垫板、橡胶隔振器、弹簧隔振器的弹性进行测试。
主要测量静刚度、动刚度、损耗因子、阻尼比、相位角、固有频率等指标

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