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分子網絡的彈性
現從實際出發進*步說明分子網絡的熵和高彈性的關系。把交聯點間的鏈段叫鏈,每個鏈都有兩個交聯點,設交聯點間的距離(即末端距或矢量長度)同樣服從高斯統計關系,同時假定在拉伸或未拉伸狀態的交聯點都固定在平衡位置,與拉伸狀態無關,交聯點間拉伸時矢量長度的分量的變化與相應的橡膠本體尺寸大小的改變成比例(仿射形變)。如果交聯點的*端固定在坐標原點,它到另*端的矢量長度為r,分量為x0、y0、z0。拉伸后的矢量為r′,坐標為x、y、z。則x=λ1×0,y=λ2y0,z=λ3z0。式中λ1、λ2、λ3為相互垂直的三個軸向上的拉伸比,其值在拉伸方向上大于 1,在壓縮方向上小于1。假定形變時體積不變,即λ1λ2λ3=1,通過計算就可求得網狀分子的形變熵為:
(2)
式中N為單位體積中的鏈數。從式 (2)可求得貯能函數(形變功)為:式中,ρ為密度,Μc為交聯點間鏈段的分子量,R為氣體常數。另外還可求得應力與應變間的*般關系式為:
式中t1、t2、t3為真應力,按拉伸時面積計算。真應力與工程應力f1、f2、f3(按原始截面積計算的應力)之間的關系式為t1=λ1f1,t2=λ2f2,t3=λ3f3。式(3)、(4)、(5)、(6)均從統計力學導出,是簡單而通用的公式。對于單向拉伸、雙向拉伸、簡單剪切和純剪切試驗都是合適的。在單軸拉伸或壓縮的情況下,得。
非高斯鏈的彈性 當拉伸分數時,將引起鍵角分布的變化,使理論值與實驗值偏離。這可以用無規連接鏈的非高斯統計進行處理。當很小時,其所得結果與用長鏈分子高斯統計所處理的結果是*致的;當大時,還應考慮的高次項的影響。
橡膠的形變不純粹是上述的熵變過程,還伴隨著顯著的內能變化,等容條件下內能變化對應力的貢獻σe可表示為:
式中為自由鏈的均方末端距。此部分貢獻來源于自由鏈均方末端距的溫度依賴性,只有網絡統計理論中所假設的條件下,即沒有這種依賴性時,才沒有這部分內能變化的貢獻。
實驗表明,σe/σ或ln隨溫度增大還是減小以及變化值的大小都隨高聚物而異,有的高聚物(如天然橡膠)的鏈伸長使能量提高,σe/σ 約為0.2左右;有的則相反。例如聚乙烯的伸張的反式鏈能量更低,σe/σ約為-0.4左右,而且對聚乙烯來說,在θ-溶劑的溶液中測得的和上述熱彈性效應得到的數值是*致的。
高聚物高彈性的近期研究結果表明,高聚物高彈性理論式與實驗偏差的分子解釋可能為非高斯效應、內能效應、鍵的纏結、*逆效應和非無規堆砌效應。