概要
根據定義,橡膠彈性物轉化為彈性體彈性物的過程叫做硫化。硫化過程給彈性體彈性物的性質以決定性影響。特別是定伸強度、硬度、彈性、抗溶脹性等,在硫化過程中有相當大的變化。這一變化的大小與加入橡膠中產生硫化作用之硫化助劑的選擇和硫化條件有關。其他性質如抗張強度、氣密性、低溫屈撓以及電絕緣性能,在硫化程度變化時變化比較小。為使橡膠產品盡可能有最好的性能(這種性能根據實際使用而異),總是需要最適當的硫化助劑配合和最適當的硫化條件,盡管經濟上的考慮也是必要的。下面將討論與橡膠交聯程度有關的一些最重要的性能。
1.定伸強度
由于橡膠單個分子之間相互沒有固定,特別在高溫下,它們內部相互之間就能或多或少地進行相對的自由運動(大量的布朗運動):橡膠本質是塑性的。橡膠在力學和熱力學上表現為不可逆的牛頓流動,而且在其塑性范圍內對施加的外力并無多大的反抗作用,定伸強度非常小。
由于硫化交聯而結合在一起的單個大分子越多,產生一定形變(如拉伸至原來長度的300%)時所需要的力就越大,硫化膠也就越硬。使物質形變所需的力常稱之為“模數”然而因為這一模數和彈性模數并不一樣,所以為了避免引起混亂,一般不用這種表示方法,而采用“定伸強度”代替之。
仍然常用的另一個詞是“模數特性”,它表示硫化時間對硫化膠在一定伸長下(如300%伸長)抗張應力(模數)的影響。其實,用“定伸強度特性”的說法是比較好的。
硫化膠的定伸強度基本上與交聯鍵數亦即與“硫化度或交聯度”成比例。定伸強度和交聯度之間的關系可用方程式1表示:
方程式1:
定伸強度=f(交聯密度)
該方程式中f是產生一定伸長比λ所需要的力,ρ是橡膠的密度,R是氣體常數,T是絕對溫度,A0為試片未拉伸時的橫斷面積,Mc是兩個交聯鍵之間橡膠分子的平均分子量。
在固定的密度、試驗溫度、試片形狀和伸長之下,根據方程式1,伸長比為λ時的抗張應力f與兩個交聯鍵之間橡膠分子的分子量成反比,也就是與交聯數成正比。因此,網絡越密,交聯鍵間的分子鏈段越短,定伸強度也就越高。
定伸強度與高分子的化學結構和交聯鍵的性質基本上沒有關系。
作為伸長比入函數的抗張應力可以根據單位體積中的網絡鏈數v按方程式1a計算出來:
方程式1a
這一經典公式首先由庫恩(Kuhn)、沃爾(Wall)、詹姆斯(James)和古斯(Guth)、特雷洛爾(Treloar)以及弗洛里(Flory)與雷納(Rehner)提出的。
2.硬度
隨交聯度的上升,與定伸強度一樣,硬度也逐漸增加,并達到鋼彈性狀態,材料變為硬質膠。這是因為硬度和定伸強度是以同樣方式進行度量的。定伸強度是由測定產生一定形變所需要的力確定的,而測定硬度時也要用針或球產生一個固定的形變,形變所需要的力通過彈簧秤指示出來。所以上面所說的關于定伸強度的一些情況也基本上適用于硬度。