彈性體(elastomer)
橡皮筋是彈性體最完美的寫照:你可以把它拉到原長的好幾倍,而一鬆手,它立刻彈回起點。能做到這件事的材料極少——金屬拉到那麼長會保持彎曲,陶瓷則乾脆碎裂。彈性體是特意設計來提供這種又大、又有彈性、又能完全恢復的拉伸的高分子,這也是橡膠被用於輪胎、密封件、墊圈與避震座的原因。
訣竅在於盤繞的鏈加上少量灑入的交聯,並在材料的玻璃轉移溫度以上使用,好讓鏈鬆軟而能動。靜止時,長鏈隨機盤繞著,像鬆弛的彈簧。拉扯材料時,鏈被拉直並沿拉力方向排列——這是一種非常有序、低亂度的排列。因為自然偏好無序、高亂度的盤繞狀態,鏈會「想要」回捲,一旦你放開負載,它們就彈回。那少數幾個交聯至關重要:它們充當錨點,阻止鏈永久地彼此滑過而流走,於是材料乾淨地回到原形,而不是留下永久變形。天然橡膠、SBR、矽膠與氯丁橡膠全都是彈性體,而硫化正是放進那些關鍵交聯的手段。
它之所以重要,是因為彈性體填補了其他任何一類材料都無法填補的位置:在極低的剛性下達成巨大的可逆應變——常達數百 percent。有一個真正令人意外又誠實的事實揭示了背後的物理:彈性體的彈性由熵驅動,而不是像金屬彈簧那樣靠拉伸鍵結。一個著名的後果是:若你在拉伸的橡皮筋上掛個重物並輕輕加熱,橡皮筋會收縮並把重物抬起——與一般熱膨脹恰恰相反。而少了交聯,整個效果就失效:生的、未交聯的橡膠只會流動並保持變形,這正是為什麼生橡膠必須硫化才能變得有用。
把橡皮筋快速拉開並貼在嘴唇上,會感覺到溫熱;讓它彈回,會感覺到涼。那份熱是鏈被迫從無序的盤繞變成有序的直線——這是橡膠彈性由熵驅動、而非由拉伸鍵結驅動的直接證據。
彈性體能大幅拉伸又回彈,因為盤繞的鏈被拉直後又彈回;少量交聯阻止了永久流動。
彈性體的彈性由熵驅動,而非拉伸鍵結——拉伸的橡皮筋加熱時會收縮,與多數固體相反。少了少量交聯,橡膠就只會流動並留下永久變形。