橡胶拉伸应力松弛实验原理

聚合物的力学性质随时间的变化统称为力学松弛。根据聚合物受力情况的不同,可以观察到不同的力学松弛现象,如蠕变、应力松弛、滞后和力学损耗等。应力松弛是指聚合物试样在恒定温度和形变保持不变的情况下,聚合物内部的应力随时间的增加而逐渐衰减的现象。例如,拉伸一块未交联的橡胶至一定长度并保持长度不变,橡胶的回弹力会随着时间的延长而衰减。当时间足够长时,回弹力可以减小至零(如图39-1所示)。这种情况下,应力与时间呈指数关系如下:

式中: σ 是起始应力, τ 是松弛时间。

与蠕变相对应,应力松弛也反映聚合物内部分子运动。当橡胶被拉长时,链段沿拉力方向运动,而此时分子链重心没有发生位移,分子链构象处于不平衡状态,因而产生回弹力。随着时间延长,链段顺着外力方向运动,分子链逐渐过渡到新的平衡构象,整个分子链发生位移,从而减小或消除内部应力。对于常温下的塑料,在强外力作用下发生强迫高弹形变,由于内摩擦力大,链段运动能力很弱,应力松弛缓慢,短时间内不易觉察到;对于常温下的橡胶,链段运动受到的内摩擦力很小,应力能够很快松弛掉,甚至快到觉察不到。一般来说,在玻璃化转变温度附近几十摄氏度范围内,聚合物的应力松弛现象比较明显。可见,应力松弛过程受温度影响很明显。对于同一聚合物,在不同力学状态下,呈现出不同的应力松弛行为,温度越高,松弛时间越短,应力松弛越快,如图39-2所示。对于交联橡胶,由于分子链间不能滑移,应力不会松弛到零,而是松弛到某一数值,如图39-1所示。本实验采用交联橡胶片作为实验对象,可以观测到不同交联度橡胶的应力松弛行为。

图39-1 聚合物的应力松弛曲线图

图39-2 不同温度下聚合物的应力松弛曲线

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