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弹性概念的厘清及其与热塑性弹性体TPE结构、组分之间的关系!
来源:utpe |  发表时间:2018-12-05 |  点击:

有关“弹性”概念的厘清

有几个概念,如①弹性、②打击弹性(回弹性)、③弹性与模量、④压缩永久变形(compression set)、⑤扯断永久变形等,它们之间的关系,不易表述清楚,现大致解说一下:

 

1、压缩永久变形
是弹性体材料在一定温度下,被压缩至一定比例,比如75%,并维持一定时间后,发生永久性变形的量与原始压缩高度的比例百分比,最大是100%(一点都没有恢复),最小是0%(没有变形)。

例如,40%压缩永久变形表示,此热塑性弹性体只恢复了被压缩厚度的60%。100%压缩永久变形则表示此热塑性弹性体无丝毫恢复,也就是说,它保持了被压缩的状态。

通常采用的ASTM D395 B方法要求使材料压缩到25%(一般较软硬度的TPE要求压缩的比例大),并在设定指定温度烘箱中,保持一定的时间。拿出烘箱,松开压缩变形器具,任压缩试样复原30分钟后再测量此试样的厚度减少百分比。

温度采用:23 °C(室温)、70 °C、100°C、125°C、150°C;
时间采用:22h、70h、168h(1星期)、1000h(42天)。
往往压缩永久变形易与蠕变相混淆。然而,压缩永久变形是在某一恒定的应变条件下所发生变形的量,而蠕变则是在某一恒定应力条件下所发生变形的量。

2、扯断永久变形
是弹性体材料在一定温度下,被拉至断裂后,发生永久性变形的量与原始试样尺寸比值的百分比,最小是0%(没有变形),最大是X%=扯断伸长率(断裂伸长率)。

3、弹性
物体受外力作用变形后,除去作用力时能恢复原来形状的性质叫做弹性,它表示弹性体分子链段和侧基内旋转的难易程度,或是弹性体分子链柔顺及分子间作用力的大小。对于硫化橡胶或者TPV,其弹性还与交联网络密度及规整性有关。

4、回弹性
是在定负荷(或定能量)条件下,测定恢复原来形状的时间,或者反弹力的大小,其时间得长短、反弹力的大小与弹性体的弹性模量有直接的关系,表述的弹性体抵抗外力变形的反应能力和反应强度。也就是回弹性是用来描述弹性大小的量值。

我们通常俗话讲,某某材料弹性好,实际上表述的就是某材料回弹性好。打个比较好理解的比喻:弹性好,相当于是海绵床垫的感觉,回弹性好,相当于是弹簧床垫的感觉。

5、弹性与模量
实际上解释“弹性模量“”比较合理:
弹性模量,英文名称:Elastic Modulus,
定义:材料在弹性变形阶段,其应力和应变成正比例关系(即符合胡克定律),其比例系数称为弹性模量。单位:达因每平方厘米。
意义:弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标,其值越大,使材料发生一定弹性变形的应力也越大,即材料刚度越大,亦即在一定应力作用下,发生弹性变形越小。弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标,相当于普通弹簧中的刚度。

弹性模量E是统称,常见的拉伸模量、弯曲模量、剪切模量G(也称刚性模量)、体积模量B均满足胡克定律,它们都是弹性模量E。
拉伸模量和压缩模量均隶属于杨氏模量,只是一个是纵向拉伸,一个是纵向压缩。通常,杨氏模量就是指拉伸模量,也即是沿纵向的弹性模量E。
E=2G(1+v)=3B(1-2v),v为泊松比


各弹性指标与弹性体结构及之间的关系

1、 弹性与压缩变形恢复
硫化橡胶压缩永久变形的大小,涉及到硫化橡胶的弹性与恢复。有些人往往简单地认为橡胶的弹性好,其恢复就快,永久变形就小。这种理解是不够的,弹性与恢复是相互关联的两种性质。但有时候,橡胶的本质没有发生根本的变化,永久变形的大小主要是受橡胶恢复能力的变化所支配。影响恢复能力的因素有分子之问的作用力(粘性)、网络结构的变化或破坏、分子问的位移等。当橡胶的变形是由于分子链的伸张引起的,它的恢复(或永久变形的大小)主要由橡胶的弹性所决定:如果橡胶的变形还伴有网络的破坏和分子链的相对流动,这部分可以说是不可恢复的,它是与弹性无关的。所以,凡是影响橡胶弹性与恢复的因素,都是影响硫化橡胶压缩永久变形的因素。

2、弹性与扯断永久变形
我们常说天然橡胶的弹性很好,但它的扯断永久变形往往是很大的,这主要是天然橡胶伸长率很大,伸长过程中造成网络的破坏及分子链的位移很大,断裂后的恢复历程长和不可恢复的部分增加。如果以定伸长的永久变形作比较,天然橡胶的永久变形就不一定很大了。

3、压缩变形与拉伸变形
说到扯断永久变形,还有一个定伸变形,都属于拉伸变形,定伸变形即把弹性体材料拉伸至指定长度(比如拉伸100&)后,发生的变形量百分比。

通常压缩变形好,拉伸变形也好,但没有真正对应的关系,压缩变形考察的是材料经过压缩后的,恢复能力,而拉伸则是考察拉伸后的恢复能力。
通常对于硫化橡胶来说,压缩变形和拉伸变形更具有参考性,而热塑性弹性体的压缩变形和拉伸变形,受温度的影响非常敏感,温度升高,压缩变形性能急剧变差(压缩变形值变大),当然,相对来说TPV要好点。

另外苯乙烯类热塑性弹性体的拉伸变形,可以做的很好,而压缩变形变形很难超过橡胶,推测的原理:压缩变形使热塑性弹性体2相材料(塑料+苯乙烯类弹性体)都受到了变形,最终导致塑料相的变形难以恢复,所以压缩变形大,而在拉伸变形时候,只是苯乙烯类弹性体受到了变形,而其中的塑料作为分散相,在拉伸的过程中,并没有受到变形,所以,拉伸回复非常好。

4、变形与热塑性弹性体结构与组分的关系
对于TPV来说,EPDM含量高,交联程度高,填充油低,EPDM中的乙烯比例低,则变形性能更好;对于其中的聚丙烯,通常抗冲聚丙烯对低温压缩变形有帮助,而均聚PP则高温压缩变形好。

对于TPE-S来说,SEBS含量高,EB端分子量大,填充油低,塑料相少,则变形性能更好,星型的SEBS比线性的好,SEEPS比SEBS好。

5、弹性与回弹性的困惑
有时候,客户说需要弹性好,通常是需要回弹性好,正如上面讲到回弹性好的材料,弹性模量大,弹性模量大,则刚性大。也就是弹性体的硬度需要比较高!这么说大家是不是比较晕乎呢?
所以,实际上,客户说要求弹性好,是要求2个方面,①是硬度,希望比较软,②是回弹性,希望回弹速度快,回弹有力。所以,客户的要求是矛盾的,当然平衡的比较好的弹性体材料还是有的,比如TPU、TPEE等弹性体材料。

一般来讲,弹性体的定伸强度,比如100%定伸强度比较高的材料,回弹性好,也就是应力应变曲线比较陡的材料,回弹性体佳。

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