橡塑高分子材料的两个定义—弹性和弹性体

2019-10-22 栏目:TPE技术课 查看()

 

弹性和弹性体

 

橡胶类材料由具有高度柔顺性和运动性的聚合物长链构成。橡胶的分子链可以交联成网络结构,交联后的橡胶受外力作用发生变形时,具有迅速复原的能力。

因为橡胶分子链运动性高,当受到外部应力时,分子链可能会相当快地改变它们的构象。

当分子链连接成网络结构的时候,体系呈现固体的特征,在外部压力下,分子链不能相对运动。

橡胶常常可以拉伸到其原始长度的10倍。除去外力后,又迅速地恢复到其原始尺寸,基本上没有残留的或不可恢复的应变。

当受到外力时,普通的固体,如结晶或玻璃化的材料,两个原子之间的距离可能仅改变几个埃(符号为Å,1Å=10的负10次方m),变形是可以恢复的。在更高的变形下,这种材料会流动或断裂。

橡胶的反应完全是在分子内,即外部施加的力通过链节传递到长链,改变长链的构型,像弹簧一样对外力做出反应,除去外力后能恢复原状。

高分子量聚合物通过分子相互交织形成缠结,在本体状态下,具有特定的分子结构的空间特征。

 



空间特征用缠结点之间的分子量(Me)表示,几种弹性体分子量(Me)见上图。

因此,即使没有任何永久分子间键,高分子量聚合物熔体也将显示瞬间的橡胶状行为。在交联的弹性体中,这些缠结被永久锁定,在交联度足够高时,它们可以视为完全等同于交联键,因此它们有助于该材料的弹性响应。在冷却到足够低的温度时,热塑性塑料表现出硫化胶的性能。

 

热塑性弹性体

上面我们介绍了物理交联的概念,并提出热可逆交联材料可以作为热塑性塑料来加工(即可以采用熔融方法加工),而且它们表现出的弹性行为类似硫化或化学交联的传统弹性体。这些材料代表一大类聚合物,称为热塑性弹性体(TPEs)。

1.相结构

大多数热塑性弹性体基本上属于相分离体系。目前已知唯一例外的是Alcryn®(高级聚合物合金的注册商标),它是一种单相可熔融加工的橡胶(MPR:Melt-Processible Rubber),是一类含离子键的聚合物材料。

一般,热塑性弹性体其中一相在室温下是硬而坚实的硬相,而另一相是弹性体(软相)。在通常情况下,两相通过嵌段或接枝进行化学键合。在其他情况下,相的分散要足够精细。

硬相赋予热塑性弹性体强度,并起物理交联键的作用。没有硬相,弹性体相会在应力下自由流动,该聚合物实际上无法使用。另外,弹性体相为体系提供了柔顺性和弹性。当硬相被熔融或溶解在溶剂中时,该材料可以流动,通过常用的加工方法进行加工。在冷却或溶剂挥发后,硬相变硬,材料恢复其强度和弹性。

构成相应相的各聚合物保留它们的大部分特性,因此,每一个相显示其特定的玻璃化转变温度(Tg)或晶体熔融温度(Tm)。Tg和Tm可用来确定特定弹性体的物理性质的转变点。图1.2表示在很宽的温度范围内测量的弯曲模量。

有三个不同的区域:①在非常低的温度,即在弹性体相的玻璃化转变温度以下,这两个相是硬的,所以材料刚而脆。②在弹性体相的玻璃化转变温度以上,材料变软并具有弹性,类似传统的硫化橡胶;③随着温度的升高,模量保持相对恒定(该区域称为橡胶平坦区),直到硬相软化或熔融,在此刻,材料变成黏性的流体。

 

显然,材料的最低使用温度与最高使用温度的范围介于弹性体相的Tg与硬相的Tg或Tm之间。确切的数值取决于最终产品的使用条件,如最终产物对硬化或施加的应力的承受力。因此,实际的最低使用温度要高于弹性体的Tg,最高使用温度要低于硬相的Tg或Tm。主要的热塑性弹性体的玻璃化转变温度和结晶熔融温度见表。

 

某些类型的热塑性弹性体在室温附近有尖锐的玻璃化转变温度,在温度高于Tg后,刚度显示高达三个数量级的可逆变化。这种材料称为I型记忆聚合物。它们非常适合一些重要的特殊用途,如导管,室温下(约25℃)在人体外由外科医生处理时呈刚性,而当插入人体(约35℃)时会变得柔软。

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