Эластомер

Эластомер — это полимер с вязкоупругостью (то есть как вязкостью, так и эластичностью) и слабыми межмолекулярными силами, как правило, низким модулем Юнга (E) и высокой деформацией разрушения по сравнению с другими материалами. Термин, являющийся синонимом эластичного полимера, часто используется взаимозаменяемо с резиной, хотя последний предпочтительнее, когда речь идет о вулканизатах. Каждый из мономеров, которые связываются для образования полимера, обычно представляет собой соединение нескольких элементов среди углерода, водорода, кислорода и кремния. Эластомеры — это аморфные полимеры, поддерживаемые выше температуры стеклования, так что значительная молекулярная реконформация возможна без разрыва ковалентных связей. При температуре окружающей среды такие резины, таким образом, относительно податливы (E ≈ 3 МПа) и деформируемы. Их основные применения — для уплотнений, клеев и формованных гибких деталей.

Резиноподобные твердые тела с упругими свойствами называются эластомерами. Полимерные цепи удерживаются вместе в этих материалах относительно слабыми межмолекулярными связями, которые позволяют полимерам растягиваться в ответ на макроскопические напряжения.

Эластомеры обычно являются термореактивными (требуют вулканизации), но также могут быть термопластичными (см. термопластичный эластомер). Длинные полимерные цепи сшиваются во время отверждения (т. е. вулканизации). Молекулярную структуру эластомеров можно представить как структуру «спагетти и фрикадельки», где фрикадельки означают поперечные связи. Эластичность вытекает из способности длинных цепей перестраиваться для распределения приложенного напряжения. Ковалентные поперечные связи гарантируют, что эластомер вернется к своей первоначальной конфигурации после снятия напряжения.

Сшивание, скорее всего, происходит в равновесном полимере без какого-либо растворителя. Выражение свободной энергии, полученное из модели Neohookean эластичности резины, выражается в терминах изменения свободной энергии из-за деформации на единицу объема образца. Концентрация нитей, v, представляет собой число нитей в объеме, которое не зависит от общего размера и формы эластомера. Бета связывает расстояние от конца до конца полимерных нитей через сшивки в полимерах, которые подчиняются статистике случайных блужданий.

${\displaystyle \Delta f_{d}={\frac {\Delta F_{d}}{V}}={\frac {K_{B}T\nu _{el}\beta \lambda _{1}p^{2}+\lambda _{2}p+2\lambda _{3}p^{2}-3}{2}}}$

${\displaystyle v_{el}={\frac {n_{el}}{V}},\beta =1}$

В конкретном случае деформации сдвига эластомер, помимо того, что подчиняется простейшей модели эластичности резины, также несжимаем. Для чистого сдвига мы связываем деформацию сдвига с коэффициентами удлинения лямбда. Чистый сдвиг представляет собой двумерное напряженное состояние, делающее лямбда равной 1, что снижает функцию энергетической деформации выше до:

${\displaystyle \Delta f_{d}={\frac {k_{B}T\nu _{s}\beta \gamma ^{2}}{2}}}$

Чтобы получить сдвиговое напряжение, функция энергетической деформации дифференцируется по сдвиговой деформации, чтобы получить модуль сдвига G, умноженный на сдвиговую деформацию:

${\displaystyle \sigma _{12}={\frac {d(\Delta f_{d})}{d\gamma }}=G\gamma }$

Сдвиговое напряжение тогда пропорционально сдвиговой деформации даже при больших деформациях. Обратите внимание, как низкий модуль сдвига коррелирует с низкой плотностью энергии деформации деформации и наоборот. Сдвиговая деформация в эластомерах требует меньше энергии для изменения формы, чем объема.

${\displaystyle \Delta f_{d}=W={\frac {G(\lambda _{1p}^{2}+\lambda _{2p}^{2}+\lambda _{3p}^{2}-3)}{2}}}$

Примеры

Ненасыщенные каучуки, которые можно вулканизировать методом серной вулканизации:

Насыщенные каучуки, которые нельзя вулканизировать серной вулканизацией:

Различные другие типы эластомеров: