由于弹性体的存在，科学和工程领域取得了长足的进步。众所周知，弹性体的应用范围广泛，从轮胎到工业机械的密封件。它们具有柔韧性、耐用性和多功能性等卓越特性。无论您是聚合物爱好者、材料工程师还是产品设计师，本文都将为您提供有关弹性体及其特殊行为、应用和特性的良好知识。本文提供的信息将让您更好地了解弹性体的工作原理、它们与其他材料的区别以及它们如何推动许多行业的创新。本文将深入研究现代材料最重要的形式之一。
什么是类橡胶材料和弹性体？
弹性体又称橡胶状材料，是一类具有出色弹性的聚合物。这些材料在施加时可以发生较大的伸展，但一旦力消失，它们就会恢复到原来的形状。这种惊人的特性源于其分子结构的长链设计，这种设计易于解开和卷曲，这在许多橡胶物质中都很常见。这些材料最常见的用途是用于需要具有一定程度的柔韧性、强度和弹性的化合物，例如密封件、垫圈和轮胎。它们性能多样，在汽车、医疗和建筑等需要多种材料行业的领域中不可或缺。
了解弹性聚合物的基础知识
弹性聚合物是一种复合材料，在施加力时可以大大伸展，但在撤去力时又会恢复到原来的形状。它们的特性可以追溯到它们特定的分子结构，这种结构具有较长的卷曲聚合物链，可以降低刚性。天然橡胶、硅橡胶和聚氨酯是最常用的弹性聚合物，它们在各种应用中经常可以互换。由于它们的耐磨性、弹性和厚度，这些材料广泛用于密封件、管材、轮胎和医疗器械。这些聚合物使它们成为不同行业中不可或缺的材料。
天然橡胶与合成弹性体
天然橡胶和合成弹性体明显不同，它们似乎是具有不同特性的不同弹性体。天然橡胶是从橡胶树（巴西橡胶树）的乳胶中提取的，以其高弹性、显著的抗拉强度和优异的耐磨性和抗疲劳性而闻名。由于其动态特性，它被广泛用于汽车轮胎、传送带和防振部件。如上所述，天然橡胶具有高弹性的一大优点，因此即使在高应变下也能正常工作。
另一方面，合成弹性体是化学化合物，包括苯乙烯-丁二烯橡胶 (SBR)、丁腈橡胶 (NBR) 和乙烯丙烯二烯单体 (EPDM) 等。此类弹性体已被开发用于需要油、热和化学品的特定用途。例如，SBR 因其耐磨性和耐受恶劣条件的能力而广为使用。NBR 在油性条件下表现良好，适用于燃油软管和密封件。此外，由于 EPDM 具有耐受天气和紫外线的能力，它主要用于屋顶和汽车挡风雨条。
对于合成弹性体，据记录，其结构体积、可重复性和均匀性更高，这也使得在生产时可以调整产品的特性。15.3 年，全球合成橡胶产量约为 2022 万公吨，与记录的 13.9 万吨天然橡胶相比有相当大的增长，这表明汽车和工业领域对合成替代品的需求增加。
合成弹性体可能具有包括更高的热稳定性和化学稳定性在内的优势，而天然橡胶的生物降解性则更高。这两种橡胶的选择都是基于应用、环境条件和需要满足的目标。随着材料科学领域的最新进展，天然和合成弹性体都得到了优化，这巩固了它们在多个行业中的重要性。
橡胶类材料的关键特性
天然和合成弹性体的物理和机械性能相当惊人。这就是为什么大多数人认为橡胶类材料（也称为弹性体）资源丰富。下面列出了橡胶类材料的一些关键特性：
弹性和灵活性
简单来说，弹性体可以明显变形，当力消除时会恢复到原来的形状。某些材料可以达到 500% 的超高拉伸率，这支持了弹性体具有独特聚合物结构的说法。
抗拉强度和耐久性
橡胶的成分决定了其抗拉强度，通常以兆帕表示。对于天然橡胶，该边界通常介于 15-25 兆帕之间。同时，合成弹性体（例如丁腈橡胶或硅橡胶）可以满足更广泛的机械要求。
耐温性
弹性体具有广泛的热特性。例如，天然橡胶在室温下性能良好，最高可在 80 摄氏度下工作，而硅胶等合成材料即使在 230 摄氏度以上也能发挥最佳性能，即使在零下温度下也能保持柔韧性。
耐化学性和耐油性
NBR 和 FKM 共聚物均能耐受油脂、油和各种化学物质的磨损，因此可用于制造工业密封件和垫圈，而天然橡胶虽有弹性，但容易受到此类侵蚀。
耐磨性
具有类似橡胶特性的材料在耐磨性方面存在差异。例如，天然橡胶的特点是弹性高，具有足够的耐磨性，因此可以用于车辆的重型轮胎和传送带，而聚氨酯弹性体则在易磨损环境中表现更好。
电气绝缘和介电强度
许多硅胶和 EPDM 弹性体被用作绝缘体，因为它们具有高介电强度，并且不易因电流而损坏。这些特性有利于在电气和电子领域使用。
环境稳定性
天然橡胶的生物降解性相当好，而大多数合成弹性体的耐臭氧、紫外线和风化性更强，例如 EPDM 橡胶就可以耐受风化的影响。
这些特性和特征解释了为什么具有类似橡胶特性的材料 各行业应用，包括但不限于汽车、航空航天、医疗和消费品领域。这些材料本质上是新颖的，并且人们仍在努力推进技术和制造工艺。
类橡胶材料与其他聚合物有何不同？
弹性体与热塑性塑料和热固性塑料的比较
每种聚合物，包括弹性体、热塑性塑料和热固性塑料，其特性、应用和结构都各不相同。以天然橡胶为例，其分子结构松散相关，这使其具有“橡胶”特性。可以拉伸然后恢复到原始状态的材料被称为弹性材料，天然硅橡胶往往属于这一类，硅橡胶具有高弹性。
现在，热塑性塑料有所不同，聚乙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯都是非交联聚合物的例子，因此它们的分子链不交织，这反过来又允许它们反复加热和重塑而不会造成任何损害。这些特性使热塑性塑料成为挤出和注塑成型的理想选择，此外，它们还适用于需要高压灭菌的产品，包括汽车零部件、消费品和食品包装。
环氧树脂、树脂和酚醛热固性塑料也可使用，但这些材料不能使用超过一个周期，因为与热塑性塑料不同，热固性塑料只能重新成型一次，即通过固化；这已被发现使其具有有效的网络结构，使其能够抵抗热应力，从而使其具有较长的保质期。其他用途的例子包括电气绝缘以及需要高结构强度的航空航天和建筑部件。
从图中可以看出，天然橡胶等弹性体的拉伸强度在 15 至 25 MPa 之间，一些研究表明如此，而聚丙烯等热塑性材料则有可能达到 40MPa 的数值。然而，值得注意的是，热固性塑料的数值要高得多，如果配方正确，可以达到 50 MPa 以上。尽管如此，弹性体仍然保持优势，在柔韧性方面占主导地位，因为它们在被撕裂之前可以拉伸超过 500%。相比之下，热固性塑料等其他材料很难超过 50% 的水平。
考虑到给定的属性，选择适合应用要求的聚合物对于机械、热和化学属性至关重要。例如，弹性体非常适合密封件和垫圈，而热塑性塑料非常适合轻量化（组件）。相反，热固性塑料非常适合需要耐热和耐热性的区域。
橡胶类材料的独特机械性能
弹性体或橡胶类材料因其独特的机械性能组合而被归类为单独的材料组。它们具有惊人的弹性，这使得它们在结合连接密度的情况下可以变形高达 700%。可以看出，它们具有巨大的伸长能力，这对于具有高度灵活性和弹性的应用很有帮助。
与热塑性塑料和热固性塑料相比，弹性体的杨氏模量较低，通常在 0.01 到大约 10 MPa 的范围内。这使它们失去了很多刚度，使它们能够吸收和耗散弹性体的能量，具有高价值的减震和隔振应用，并使密度函数变形。此外，弹性体具有非线性弹性和应力，由于动态负载期间的滞后和能量损失，这使它们在动态环境中具有广泛的应用。
此外，橡胶等材料在很宽的温度范围内表现出很强的机械性能。例如，硫化橡胶可以承受从零下四十度到超过 120 摄氏度的温度，并保持坚韧和柔韧，具体取决于其配方。这种特性对于汽车和航空航天应用至关重要。
弹性体在严重变形后具有恢复原状的卓越能力。这种特性称为弹性或回弹率；对于反射性天然橡胶，其回弹率可高达 70%，这意味着橡胶在压缩一小段时间后能够迅速恢复到原状。这种特性在密封件、环、垫圈和轮胎等元件中非常值得推荐，因为机械载荷将始终保持在结构部件上。
改变配方和实现设计参数总是会涉及弹性体，因为弹性体是工程领域最有用的原材料之一。
交联及其对弹性的影响
交联通过在密集的聚合物链之间建立化学键网，极大地改变了弹性体的柔韧性。这些连接限制了链的自由度，使得质量可以被设计成在压力下变形，但在压力释放时恢复其形状。交联的浓度决定了弹性水平——密度越高意味着强度越高，但以柔韧性为代价，而密度越低意味着弹性越大，但强度不会更高。这一要求至关重要，因为在需要特定性能特征的汽车或工业部件中应用弹性体需要这样的平衡。
最常见的类橡胶材料类型有哪些？
硅橡胶及其应用
硅橡胶具有出色的耐久性、柔韧性和热稳定性，因此被广泛应用于各个行业。其用途广泛，包括汽车和航空航天工业中的密封件、垫圈和管材，以及假肢和植入物中使用的医用硅胶。此外，由于其无毒特性和出色的耐候性，硅橡胶常用于生产厨房用具、防水材料、电子产品和其他消费品。
EPDM 橡胶：特性和用途
EPDM 橡胶，也称为乙烯丙烯二烯单体，是一种合成橡胶，具有出色的耐候性、抗紫外线性和耐高温性。其弹性和柔韧性使其适用于屋顶膜、密封件和汽车部件（如软管和挡风雨条）。EPDM 橡胶在水和蒸汽中也很稳定，并且含有多种化学物质，增强了其在工业和建筑领域的应用。此外，它具有热塑性，使其在环境上耐用，同时即使在恶劣条件下也能长时间保持性能。
热塑性弹性体 (TPE) 的解释。
热塑性弹性体 (TPE) 可以描述为一种热塑性和弹性体材料，具有硫化橡胶和热塑性塑料的特性。这种 TPE 可以通过熔化和注射成型，并且能够通过热熔加工、挤出或 3D 打印成型为所需的最终形状。
TPE 脱颖而出，因为它混合了质地坚硬的苯乙烯聚合物或热塑性塑料和具有出色机械性能的柔软弹性体区域。通过采用不同的配方，TPE 可以成为具有增强的拉伸强度、高抗冲击性和更好弹性的弹性体。这些材料用途广泛，可用于汽车、医疗等许多领域。与汽车行业相关的是，TPE 弹性体可用于在车辆绝缘材料周围安装电缆并促进灵活的密封系统。
根据新见解，对 TPE 的需求正在稳步增长。新材料技术的发展和消费者对可持续解决方案日益增长的倾向将推动全球 TPE 市场在未来几年的增长率（估计复合年增长率）达到 6%-7% 左右。然而，TPE 在医学领域也发挥着重要作用，例如用于管材、密封件，甚至是需要生物相容性和稳定性的短期可穿戴设备。
TPE 有多种类型：苯乙烯嵌段共聚物 (SBC)、热塑性聚烯烃 (TPO)、热塑性硫化橡胶 (TPV) 和共聚酯弹性体 (COPE)，仅举几例。它们也有许多应用，因为每种材料都有适合特定功能的属性。例如，TPV 是硫化橡胶和热塑性塑料的组合，最适合用于需要长时间保持灵活性和动态性的环境。另一方面，SCB 相对较软且易于加工，因此消费品中广泛使用它们。
上述材料不仅具有不可或缺的性能或适应性属性，而且可持续性很强，因此可以满足新时代工业不断变化的需求。
橡胶类材料在各个行业中有何应用？
弹性体的汽车应用
弹性体是汽车领域必不可少的材料，其广泛应用还伴随着高重复性。由于其出色的弹性、耐候性和机械性能，弹性体被用于各种汽车部件，包括但不限于密封件、垫圈、软管和隔振器。
一个很好的例子是非对称乙烯丙烯二烯单体 (EPDM) 橡胶，它通常用于防风雨密封和相关应用，在不同的压力和温度限制之间应提供良好的密封性能。此外，热塑性弹性体 (TPE) 还用于软触仪表板、防滑垫和许多其他内饰元素，使汽车内饰更具吸引力。有机硅弹性体也可用于涡轮增压器软管或垫圈的涡轮发动机，但仅限于需要非常高的耐热性时。
全球弹性体使用统计数据表明，汽车行业正在激增。70 年，全球弹性体行业产值超过 2021 亿美元，由于电动汽车制造业的兴起，汽车行业占据了主要份额。此外，使用先进复合材料作为轻质弹性体材料可以减轻车辆重量，这是提高车辆能源效率和减少排放的重要参数。
弹性体配方的改进进一步促进了弹性体的采用。例如，高伸长率和低压缩变形弹性体詹金斯滑动轴承在悬架系统和发动机支架中的应用得到了加强。这些进步提高了乘坐舒适度和噪音衰减，同时延长了使用寿命，从而证明了弹性体在汽车工程中占据的重要地位。
密封件和垫圈中的橡胶类材料
汽车、气雾剂和医疗工程领域使用弹性体作为密封件和垫圈；这些材料对于其性能至关重要。这是因为相关材料仍然柔韧，仍然保持一定程度的弹性，并保持极端条件下的密封能力。丁腈橡胶 (NBR)、乙烯丙烯二烯单体 (EPDM)、硅橡胶和氟碳 (Viton®) 因其耐油、耐化学品和耐温度变化的能力而被广泛使用。
相比之下，NBR 因其出色的耐磨性和耐油性而广泛用于油和燃料密封应用。相比之下，EPDM 在老化、紫外线和臭氧暴露领域有许多应用。由于其高低温稳定性，硅橡胶似乎是低温和高温范围密封应用的首选材料。值得注意的是，氟碳弹性体表现出卓越的耐化学性和耐燃料性，常用于发动机和其他暴露于刺激性化学品和石油基物质的设备的垫圈。
最近的材料趋势是需要更高的组件伸长率、压缩变形和拉伸强度。例如，EPDM 配方在高达 150 摄氏度的高温蒸汽和水温下可以持续很长时间，而硅胶垫圈在 -50 至 250 摄氏度的温度范围内工作良好。这些材料还符合各种监管要求，例如 REACH 和 RoHS，这些要求在工业设置中是必需的。
由于弹性体制造以及 LIM 和自动挤压工艺的进步，弹性体行业也取得了进步，这使得制作复杂的密封件和具有高精度切割的密封件成为可能。此外，纳米技术还开发了混合弹性体，其中包括拉伸和热稳定性填料（例如炭黑），可延长使用寿命，同时对垫圈带的磨损最小。前面段落中提到的所有最新发展都表明，密封能力和垫圈材料适合现代工程环境。
采用弹性材料进行 3D 打印
可穿戴设备、密封垫圈和缓冲元件（例如弹性 3D 打印材料）的制造归功于汽车、医疗保健和消费品等行业。这得益于改进的材料配方和兼容的 3D 打印技术。这些技术可以快速成型和创建复杂结构（例如定制密封件），同时还通过专门定制的应用程序提高性能，从而带来优势。
使用类似橡胶的材料有哪些优点？
弹性和灵活性优势
根据我对橡胶类材料的经验，我发现它们的弹性和柔韧性非常实用。这种材料可以拉伸和弯曲到相当大的极限，而不会造成永久性损坏，非常适合动态用途。它们还表现出良好的阻尼和稳定性，确保在具有挑战性的条件下具有可靠的性能。
抗压缩变形和耐久性。
橡胶制成的材料具有相对较高的抗压缩变形性，即材料倾向于产生持续的压缩应力。与其他材料相比，这种特性可确保由这些材料制成的面板、密封件、垫圈和此类部件不会随着时间的推移和变形而失去形状和功能。例如，硅橡胶在标准测试条件下的压缩变形值可在 15-20% 范围内，因此即使在恶劣的温度条件下，也能在密封应用中提供较长的使用寿命。
这些材料还经过专门设计，可在恶劣条件下使用。一种众所周知的材料是 EPDM 橡胶，它可以耐风化、耐紫外线和臭氧，并可在户外长期使用。大多数研究还表明，EPDM 材料可以在正常环境暴露下保持其弹性和结构特性超过 25 年。这种惊人的性能使橡胶类材料成为需要高可靠性项目的支柱。这些行业包括汽车、航空航天、船舶和建筑。它们在高性能应用中的成本效益归功于其出色的机械强度和弹性。
柔软触感和人体工程学特性
用户舒适度和产品功能无疑对各个行业都至关重要。然而，柔软触感和人体工程学特性等方面对于实现该功能至关重要。硅胶和热塑性弹性体 (TPE) 目前需求旺盛，因为它们最能满足每个人的需求。研究表明，这些材料的肖氏硬度范围通常为 20A 至 80A。这是一个非常宽的展开范围，非常适合既要足够灵活又要有足够支撑力的物品。防滑和触感特性使它们可用于缝制工具手柄、医疗器械和手机等产品。
例如，人体工程学都是柔软触感的工具，它们还可以通过减少重复使用过程中的手部疲劳来实现高达 30% 的生产率提高。这可以通过减轻压力点和均匀分布接触面积上的力来实现。更令人印象深刻的是，无论是极冷还是极热，例如 -40 摄氏度到 200 摄氏度，弹性体都不会屈服；工作温度范围完全取决于使用的配方。所有这些特性不仅有助于提高用户满意度，而且还有助于延长产品寿命和耐用性，特别是面向最终用户和一般商业市场。
如何为您的项目选择合适的橡胶类材料？
评估特定应用的材料特性
当使用弹性体材料进行某些应用时，应优先考虑某些材料特性，并根据其操作条件和应用适合性列出这些特性。以下是特性及其所需特征的列表：
硬度（邵氏 A/D）
该特性表明材料承受力和变形的能力，以确定橡胶的磨损敏感性。
弹性体的硬度范围通常在 A 肖氏硬度 20-90 和 D 肖氏硬度 30-70 之间。
抗拉强度（MPa 或 psi）
材料在发生任何断裂之前可以承受的最大应力也称为抗拉强度。
类似橡胶的材料的规格范围在 5 MPA 至 25 MPA 或 725 psi 至 3625 psi 之间。
断裂伸长率 (%)
材料经受变形并保持其结构形状的能力可以增加断裂百分比。
根据配方，大多数弹性体的含量在 100% 到 700% 之间。
压缩变形 (%)
材料在长时间承受压缩力后恢复其原始厚度的能力由压缩变形百分比决定。
5% 至 30% 通常是理想材料所具有的低压缩变形百分比。
抗撕裂性（N/mm 或 lb/in）是评估橡胶材料耐久性的关键特性。
量化材料抵抗切割或撕裂扩展的能力。
标准组合物的抗撕裂强度在 10 N/mm 至 50 N/mm 之间。超过 50 N/mm 的情况很少见。
热稳定性
它被确定为弹性体可以在不发生任何性能故障的情况下运行的温度范围。
对于高性能弹性体，典型的极端温度在 -40 摄氏度（相当于 -40 华氏度）和上限温度 200 摄氏度（相当于 392 华氏度）之间。
化学耐受性
测试物质是否能抵抗油、燃料、溶剂和其他化学物质。
选择能够抵抗应用中出现的特定化学物质的材料。
耐老化性
在紫外线、湿度、臭氧等不利条件下测试聚合物，以确定其随时间的耐久性。
选择含有抗老化添加剂的弹性体，因为它们的使用寿命会更长。
耐磨性
确定材料抵抗摩擦力磨损的程度。
当处理高磨损环境时，安装人员需要使用耐磨性等级高于平均等级的材料。
密度
全部意味着材料的密度（以 g/cm3 为单位）会相应地影响产品的总重量。
橡胶类材料的密度值通常在 0.9 g/cm3 至 1.5 g/cm3 之间。
所有这些特性都必须考虑，因为它们决定了哪种材料最适合特定应用、性能和成本之间的最佳平衡以及耐用性。某些特性（如不寻常的配方）可能需要数据表或实验室测试以外的佐证。
考虑环境因素和耐化学性
为了确保产品的可持续性和有效性，应彻底检查在多种应用中使用的材料的环境因素以及对一系列挥发性化学物质的抵抗力。环境因素包括紫外线辐射、极高或极低的温度和湿度，这些因素会随着时间的推移使材料变质。耐化学性是指材料在暴露于某些化学物质（如酸、碱甚至溶剂）后不会分解的能力。
这些问题可以通过模拟适当的操作条件和测试材料来解决。例如，有机硅弹性体具有较高的抗紫外线和温度变化能力，因此可用于许多户外应用。在其他情况下，天然橡胶等材料对某些化学品或直射阳光的抵抗力较低，因此会很快降解。行业测试标准（例如用于化学渗透的 ASTM D471 或用于材料兼容性的图表）可以帮助多次做出明智的决策。
在材料选择上平衡成本和性能
在特定预算内选择具有最佳性能与运营需求比的合适材料需要评估长期和短期需求，这会产生大量的成本考虑。在这种情况下，关键的材料选择标准包括维护成本、功能性和材料耐用性。由于高效的材料选择，减少更换频率、减少运营停机时间和卓越的性能与成本比都是可能的。开发成本效益分析和使用工程标准或制造商数据等成本降低技术有助于确保在不影响性能与成本比的情况下做出物流决策。
类橡胶材料的最新创新是什么？
弹性体材料科学的进展
弹性体领域的许多发展提高了性能，扩大了许多行业中可能的应用范围。热塑性弹性体 (TPE) 就是这样一种创新，它兼具热塑性塑料和弹性体的特点。它们具有更大的回收潜力，并且对环境的危害比其他材料更小，因为它们可以通过注塑或挤出进行热塑性加工。
此外，石墨烯填充弹性体产品的问世改变了材料世界。石墨烯无与伦比的强度、导热性和化学稳定性的结合提高了弹性体的耐磨性和耐热性，使其适合在航空航天和高性能轮胎等恶劣条件下使用。例如，与传统弹性体相比，石墨烯复合材料的拉伸强度提高了 200-300%。
随着研究人员开始研究来自可再生原材料的环保替代品，生物基弹性体的出现也带来了一些有趣的趋势。含有天然橡胶或植物来源材料的生物基弹性体具有生物降解能力，因此非常适合汽车和医疗行业，从而减少碳足迹。
由于润滑剂增材制造（尤其是弹性体部件的 3D 打印）的进步，弹性体的新应用满足了现代工业对效率、可持续性和高性能的需求，确实提供了广泛的新设计机会。液态硅橡胶 (LSR) 3D 打印工艺因其复杂的几何形状、用于医疗设备的高功率部件制造、定制密封件或可穿戴技术而脱颖而出。这些趋势极大地推动了粘合剂行业的极限。
创新且反应灵敏的橡胶类材料
过去被认为不可靠的材料现在正被应用于医学。这项新技术利用了对光、电、热或磁场有反应的橡胶状颗粒。这些材料用途广泛，在医疗保健和航空领域发挥着重要作用。
橡胶材料成型为自记忆弹性体或 SME，能够因温度变化而膨胀其结构。这些结构可用作支架或导管，因为它们只需要少量的力气即可进行重构，并且易于控制。它们具有超过 95% 的高回收率，可以重复使用。
导电聚合物弹性体脱颖而出。它们是其他产品的绝佳替代品，因为它们可以替代触摸屏、传感器甚至衣服的部件。通过使用碳纳米管或石墨烯，这些弹性体可以拉伸至 500%，同时保持 10³ S/m 的导电性，从而大大提高电子产品的耐用性和效率。
磁响应和电响应型弹性体具有多功能性，能够在磁场或电场作用下改变其机械性能。例如，磁流变弹性体 (MRE) 具有作为汽车和工业减震器的潜在用途，利用磁场可使其动态模量发生高达 60% 的变化。
此外，水凝胶稳定弹性体的发展在生物工程和软机器人领域开辟了新的领域。这些材料经过特殊配制，具有更好的保湿性、更大的湿和干机械强度以及更高的生物相容性，新开发的水凝胶-弹性体混合物能够在高拉伸负荷变形后实现高达 80% 的形状恢复。这种特性在合成肌肉系统和软夹钳中的应用得到了极大的补充，因为它们需要使用坚固而柔韧的材料。
总体而言，新型反应性橡胶类材料通过其易用性和满足工程和设计某些领域的需求，同时兼顾环境可持续性，正在增强甚至彻底改变各种技术动态。
可持续且环保的弹性体选择
可持续和绿色弹性体力求在性能和环保之间取得平衡。生物基弹性体是该领域的一项新技术，专注于使用天然橡胶和植物油等可持续材料。此类材料减少了对不可再生资源的依赖，通常具有与其他材料相似的机械特性。此外，弹性体回收技术的研究使废料可重复使用，从而减少了材料浪费并确保以环境可持续的方式回收材料。热塑性弹性体 (TPE) 是另一种可行且环保的选择，因为它们可以反复重做和重塑，这与传统的热固性弹性体不同。所有这些方法本质上都与全球减少排放、资源浪费和材料生产的目标相一致。
常见问题解答 (FAQs)
问：什么是弹性体？它与其他材料有何不同？
答：弹性体是一种行为类似于橡胶的材料，具有在压力下变形，然后在压力消除后恢复其原始形状的特性。弹性体与其他物质的区别在于其具有巨大的弹性、柔韧性和耐用性。此外，弹性体由长链聚合物组成，有助于变形和恢复，从而表现出类似橡胶的弹性和软材料的特性。
问： 弹性体有哪些类型？
答：目前，已有一些已得到充分证实的弹性体类型；最主要的是天然橡胶（也称为乳胶），其次是乙烯丙烯橡胶类合成橡胶、硅橡胶、聚氨酯和热塑性弹性体。每种弹性体都具有不同的特性；因此，它们可用于各种应用。这些应用包括汽车零部件、医疗设备和各种消费品。
问：弹性伸长对弹性体的性能有何影响？
答：弹性体的一个关键特性是它们数量多，可以拉伸而不会断裂；这种特性称为伸长率。任何弹性体的另一个重要指标是断裂伸长率，它能洞悉被分析聚合物的柔韧性和耐久性。一般趋势是，伸长率高的聚合物在失效前能够承受更大的变形量，这使得它们非常适合用于需要极端柔韧性或重复拉伸的应用。
问：什么是粘弹性？其在弹性体中有何意义？
答：各种弹性体都表现出粘弹性，粘弹性是它们特性的综合。这意味着弹性体在切割或受力时会随时间推移而出现应变，因为它们是粘弹性材料。弹性体作为粘弹性材料的响应会改变其许多材料参数，例如其模量和粘度，进而影响其在不同负载条件下的表现。
问：讨论一下弹性体在暴露于不同压力源时会如何表现。
答：从材料行为的角度来看弹性体，它们对不同的应力（例如压缩应力、拉伸应力或剪切应力）表现出不同的特性和结构响应。这种应力会导致弹性体发生很大变形，但不会造成永久性影响，因为它们的能量会吸收其模量（刚度）、应变能量密度和能量耗散能力。此外，橡胶类材料的弹性特性在很大程度上取决于剪切模量。
问：哪些方面影响弹性体的硬度？
答：聚合物链的组成、交联密度和所含聚合物对弹性体有各种影响。弹性体的硬度通常以标准化的肖氏 A 和肖氏 D 标度来测量，从弹性体在各个领域的应用来看，这两个标度对弹性体来说很重要，原因有很多。弹性体的伸长率与硬度成反比，也就是说，弹性体的变形形状越难改变。
问：弹性体在产品原型制作阶段的表现如何？
答：具体来说，PolyJet 3D 打印可以根据特定弹性体组件的要求生产弹性更强或更弱的部件。因此，设计师和工程师可以方便地更改设计并制作功能更好的原型，因为他们可以创建弹性体原型，这些弹性体在设计中使用时表现得像最终生产的弹性体。这些基于弹性体的组件通常是 3D 打印部件，有助于简化生产并帮助快速制作原型。
问：为什么弹性体必须具有耐化学性？
答：几种弹性体 应用程序具有属性 耐化学性。值得一提的是，不同的弹性体对溶剂、油和许多其他化学品的耐化学性往往不同。这一特性影响材料及其应用的整体耐久性。例如，某些溶剂可能会导致某些弹性体膨胀或失去某些性能。相比之下，其他弹性体不会产生任何合理的降解，因此用途广泛，可用于化学腐蚀的地方。
问：弹性体如何解释其不同的温度？
答：温度是影响弹性体行为的一个重要因素。随着温度下降，大多数弹性体会经历变硬和相对延展性的损失，这被称为玻璃化转变，而在较高温度下，它们往往会变软，在某些情况下，会变得非常软，以至于被破坏。对于其他弹性体，工作温度各不相同，对于不同的应用，这一特性在弹性体的选择中起着重要作用，尤其是那些用于恶劣环境的弹性体。
问：描述一下弹性体的实际应用，并分享其开发和应用的一些新兴趋势。
答：弹性体发展的一些新兴趋势包括：可以对外部刺激或压力作出反应的智能弹性体、可以修复损伤的自修复弹性体以及利用可再生资源的生物基弹性体。弹性体在软机器人、可穿戴电子产品和更先进的医疗设备中也有更大的潜力。这些发展确实超越了橡胶类材料在多个领域的新可能性的边界。
参考资料
1. 各向同性大弹性变形：不可压缩橡胶类材料理论与实验融合的通用模型
- 作者：Afshin Anssari-Benam
- 期刊：弹性杂志
- 出版年份：17 年 2023 月 XNUMX 日
主要发现：
- 正在开发一种综合模型，该模型可以将实验数据与关于不可压缩橡胶类材料的理论预测结合起来，特别强调大的各向同性弹性变形。
方法：
- 作者构建了一个模型，然后通过评估不同负载条件下的橡胶类聚合物，通过实验建模测试了该模型的有效性（安萨里-贝南，2023 年，第 219–244 页).
2. 考虑有限应变的橡胶类材料弹性损伤模型：理论与算法实现
- 作者：杜振江等
- 期刊：力学学报
- 出版日期：1 年 2023 月 XNUMX 日
主要发现：
- 本文提出了一种有限应变粘超弹性损伤的新模型。该模型捕捉了橡胶类材料随时间变化的行为，并解释了它们在动态载荷下的机械性能。
方法：
- 作者根据热力学原理推导出该模型，并将其应用于数值计算，以估计橡胶类材料在不同应变条件下的行为（Du 等，2023，第 1-8 页).
3. 考虑各向同性橡胶类材料速率效应的伪超弹性模型
- 作者：Afshin Anssari-Benam、M. Hossain
- 期刊：《固体力学与物理杂志》
- 出版日期：1 年 2023 月 XNUMX 日
主要发现：
- 该分析引入了一种考虑速率效应的伪超弹性模型，并解释了橡胶类材料对不同加载速率的依赖性。
方法：
- 作者利用经验结果开发了该模型，并进行了模拟，以测试其对不同应变率下的橡胶类材料的适用性（安萨里-贝南和侯赛因，2023）.
