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炭黑对橡胶动态性能的影响


第 期

炭黑 对橡 胶 动 态 性 能 的 影 响

炭 黑 对 橡 胶 动 态 性 能 的影 响
张立 兵 摘译

炭 黑有 利于 橡 胶 性 能 的 调 节 能 改 变 其
综 合 机 械 性 能 和 物 化 性 能 炭 黑 填充 橡 胶是 一 个 极 其 复 杂 的 系 统 其 补 强 机理

尚不 完
,


,

’布 代 叹 , ( 9 ( 万 林 刀 弓

)

!?

,

# 口

了 ,

善 并 存 在多 种 不 同 观 点

,



为 了证 实 和 发 展 弹 性 体 补强 理 论 我们

,

研 究 了 炭 黑 用 量 对 橡 胶 在 动 态 变 形 幅度 增
情 况 下 动 态性 能 的 影 响
的橡 胶 作 研究 对 象
# ,?. ,( .( +
、 、 、



卜 了 ? 产

选 用 硫 磺 %& 份 ? 和 促 进 剂
,

( %

)

?

份 ?制 备
!

该胶 料 含有 炭 黑


和 / ( 重 量 份 或炭 黑0 ? , . ? ( 和



宁 刀


/(

重量 份 使用 ? 八
。 。

, 型 仪器 测 试橡 胶 的


最 大 变 形周 期 能量 似 ? 机械 损 失 % 1 ?和 橡
胶 的 相 对滞 后 %2 ?
3 ( 45 ,?( ,( 一 &? ?



8 止8

按 前 苏 联 国 家 标 准 %3 ( 4 5 , & (




&6


,


芍代 万
&
9

规 定 评 价 橡 胶 在 静 态拉 伸
,

条 件 下的 弹 性 强 度 性 能 从 表 中 可 以 看 出 随着 炭 黑 用 量 的增 加 橡 胶 刚度 几 乎增 至 (





,



倍 拉 伸 强 度 和 断 裂 功 的 变 化 带极 值 性 质


,



炭黑对 异戊 二烯橡 胶 % 4

72



? 性 能 的 影响 ?

图#


47 2 异 戊 二 烯橡 胶 %



?

?>

一 。 ? %

,

,?

,

1

一 。

? %

,

.

?和 2

一 £ ,

6 %



? ?关 系 曲 线
)


? 加 叫定 伸应力
)

万 卜
& , : ( & ? ) ?

炭 黑0

,

. 重量 份 ? & 6 ( 6 ( 撇 ? : ? ( . ? 川 :


;
;<

<

/ . ( / ? 6 竺 绷

#一 /



含炭黑


. ?
) 4

/ ( 份 ?&

?

不 含炭 黑 Α

实线



Α 虚线 6 4 ,



&( Β

拉 伸 强度

,

对 未 填 充 橡 胶 2 ) 关 系 曲 数据 还 未 能 找

扯 断 伸长 率 =
,

拉 伸 断裂 功

,

!?

,

到 简 明 的 解 释 然 而 可 用 它 们 作 影 响链 段
运 动动 力 学 和 机 械 能 消耗链 的 实 验 证 据




,

对 未 填 充 和 填 充橡 胶 来 说 动 态指 标 % 1
,

1% 习和 1 % 习关 系 无 法 用 已 知 的 用 于 弹
性贮 能 的 单 参数 或 双 参数 公 式来 描 述
而 采 用 经 验 公式 来 表 述
。 。





1 ? 都 随 变形 的 增 加而 急剧 上 升 %图 # ?
, ?



填 充 橡 胶 的 相 对 滞 后 变 化缓 慢 而 未 填 充橡 胶 的 滞 后 变 化 则 明 显 增 大 %图 右 & 和 ? ?

从 图, 可 见 在 , (
,

一6 ( =

动 态 变形 范 围

第 期

炭黑 对橡 胶 动 态 性 能 的 影 响

炭 黑 对 橡 胶 动 态 性 能 的影 响
张立 兵 摘译

炭 黑有 利于 橡 胶 性 能 的 调 节 能 改 变 其
综 合 机 械 性 能 和 物 化 性 能 炭 黑 填充 橡 胶是 一 个 极 其 复 杂 的 系 统 其 补 强 机理 尚不 完
,


,

’布 代 叹 , ( 9 ( 万 林 刀 弓

)

!?

,

# 口

了 ,

善 并 存 在多 种 不 同 观 点

,



为 了证 实 和 发 展 弹 性 体 补强 理 论 我们

,

研 究 了 炭 黑 用 量 对 橡 胶 在 动 态 变 形 幅度 增
情 况 下 动 态性 能 的 影 响
的橡 胶 作 研究 对 象
# ,?. ,( .( +
、 、 、



卜 了 ? 产

选 用 硫 磺 %& 份 ? 和 促 进 剂
,

( %

)

?

份 ?制 备
!

该胶 料 含有 炭 黑


和 / ( 重 量 份 或炭 黑0 ? , . ? ( 和



宁 刀


/(

重量 份 使用 ? 八
。 。

, 型 仪器 测 试橡 胶 的


最 大 变 形周 期 能量 似 ? 机械 损 失 % 1 ?和 橡
胶 的 相 对滞 后 %2 ?
3 ( 45 ,?( ,( 一 &? ?



8 止8

按 前 苏 联 国 家 标 准 %3 ( 4 5 , & (




&6


,


芍代 万
&
9

规 定 评 价 橡 胶 在 静 态拉 伸
,

条 件 下的 弹 性 强 度 性 能 从 表 中 可 以 看 出 随着 炭 黑 用 量 的增 加 橡 胶 刚度 几 乎增 至 (





,



倍 拉 伸 强 度 和 断 裂 功 的 变 化 带极 值 性 质


,



炭黑对 异戊 二烯橡 胶 % 4

72



? 性 能 的 影响 ?

图#


47 2 异 戊 二 烯橡 胶 %



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? 加 叫定 伸应力
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拉 伸 强度

,

对 未 填 充 橡 胶 2 ) 关 系 曲 数据 还 未 能 找

扯 断 伸长 率 =
,

拉 伸 断裂 功

,

!?

,

到 简 明 的 解 释 然 而 可 用 它 们 作 影 响链 段
运 动动 力 学 和 机 械 能 消耗链 的 实 验 证 据




,

对 未 填 充 和 填 充橡 胶 来 说 动 态指 标 % 1
,

1% 习和 1 % 习关 系 无 法 用 已 知 的 用 于 弹
性贮 能 的 单 参数 或 双 参数 公 式来 描 述
而 采 用 经 验 公式 来 表 述
。 。





1 ? 都 随 变形 的 增 加而 急剧 上 升 %图 # ?
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填 充 橡 胶 的 相 对 滞 后 变 化缓 慢 而 未 填 充橡 胶 的 滞 后 变 化 则 明 显 增 大 %图 右 & 和 ? ?

从 图, 可 见 在 , (
,

一6 ( =

动 态 变形 范 围

第 期
相 应 于 算 式 %# ? 和% , ? 而 且?
,

炭黑 对 橡胶 动 态 性 能 的 影 响

一?



,

,



的 差 数 说 明 了 动 态 模 数 和 内摩 擦 模 数 不 平

么 这 一 规 则 可 用 下 面 形 式 表示 ?
Ε 1 一1
?
ΧΔ

衡 部分 随 填 充量 增 加 而 增 大 显 然 关 系 曲
线是 相 当 直 的 同时 必 须 指 出 相 对 于 直 线




,

,



>



7 >



Ε的

常数

.? %

的倾斜 角 的正 切 约等 于
?
△ >

)

/ 6% 即接 近于 ?

>



值? Β
乙 2 成勺 )
,
?

Β 一 式中1Φ

平 衡 变形 能 量 Α


7 > 一 7 Β 一7

>

表 示 动 态 模 数 不平 衡
,

ΗΔ 。

“ !?



部分
,



对于 高 弹 材料来 说
)

在一 定变形 范围


. ?是 准 确 的 对 天 然 橡 胶 异 戊 橡 内 关系 式%

472 胶%
,



? ?
,



Γ 4 7 ?和 其 它 橡 胶 来 丁 苯橡 胶 %
)

声 厂 尸
?万 ,
Η Δ 4 爪讯 份

. ? 常数 约 等 于 ( 6 说 公式 % %

(

)

& .

一(

)

? ? 实 6


Β 间 关 系 曲线 与 关 系 验数据表 明 1 Β 和 7 Φ

式% # ? 相 似 这 也是 造 成 1 Β 和 ?
,

△ >

指标接




Ι



近 的原 因
7 Φ Β 一(
,



由关 系式
,

%.

? ?可 以得 出 如果

那 么 2 最 大 值 不 应 超 过 常值
?

研 究 填 充 剂 用 量 %4 ? 对 动 态 性 能 影 响 时
发现
,? Β 4
,

未 填 充橡 胶 的 7 > 在 & ( 4 时 要 比在
,


时 大 但 填充 剂 用 量 为 . ( 和 / ( 份 时 情况
图.
,

则 相 反 %图 ? ?

含 炭黑 0 , ?
ΗΔ


.

% 一一 ? 和 炭黑 0 ? . , %一
Η Δ 4 %? ?和 :


一 一 一

?异 戊
,

填 充剂 用 量 增 至 / ( 份时 无 论在 室 温 条 件下 度
还 是 在 & 了4

橡胶 的

7



>



Ε



>

#Δ 4 % , Κ?

温 度 条 件 下 表 明 材 料 交联 会 随之 而 增 加 这 表 明 了 在
,


,

关 系 曲线



的 系数 7 。 都

上 述发 现 可 作 如 下 结论 ? %# ? 填 充弹性 体
,

聚 合 物 和 填 充 剂 之 间 形 成 了相 当 牢 固 的 键 不 会 受 到 破 坏 在( ( Β 4 温 度 下 也是 如 此
, 。

的 能量 消 耗 与弹性 相 有关 Α % ? ,
,
,

,

填充 剂 对 弹性

无 沦在 变 形 条 件 下 还 是 在 高 温 条 件 下 它 都
7
,

相 的 作 用 可 在 一 定 程 度 上 减 少 弹 性相 中 的

嫡 这 与变 形 增 大 时 相 同 在 变 形 时 发 生 结
,



>

和2 指 标 随填 充 剂用 量 的增加 而
)

增 加 但2 值 永远 小 于 (

6



构 重 排 和 取 向效 应 所 得 结 果 证 实 了 弹 性 体 的 取 向 补 强 理 论 是 有 根 据的




从 图? 中 可 以 看 出
7 的% ? 4


,

7> 7
,



> 7 的 和2
,
,

由 图. 可 见 7
,



>

和7
Μ



>
?

与填 充 剂 用 量
?

与炭 黑 用 量 的 关 系 各 异 7 > %4 ? 7 > %4 ? 和
?

%( 一 / ( 份 ?关 系 可 由 下 式描述
7
,

具 有 非线 性 性 质 而 2 % ? 几乎 呈线 性 4
, ,

> 一7




>

Β

Λ 7


> Ν

?

,

%6 ?
?

上 升 7 。 值 由 于 牢 固 键 的 形成 而 得 到 增 大 而7
>


7
Φ

> 一7
,

>



Λ 7
,

> Ν 丈

’?

/? %

>

和7




>


指 标 则 由不 稳 定 键 确 定
。一7




式 中? 一 指 数 近 似 于 ? 和 ?
7


△ >

值Α


一7


7

>



7



>

Β

和式



7

Μ

>

和7

Μ



>

> 一 7
,



>

Β

?与 填 充剂 浓 度 的 对 数关
Β

一一 炭 黑 补 强性 能 系
,





‘ 系 如 图 . 所 示 %7 >

和7




>



一表 示 未 填


6 ?和 %/ ? 相 等 因 此 也 正 如前 面 方 程式 %
,

充 橡胶 相 应 的 7



>

和7

>

指 标? 上 面 列 出

%下 转 第 ? 页 ?








3

::6

理 机 械 指 标 却 会 变 差 &
)

调 节 混 炼胶 内聚 力 的 工 艺措施
)

)





)

?
, 、

此 外 还 可 以 用 澳 化 丁 基 像胶 氯 化 丁 基 橡胶 +


提 高 迈 用 合 成 橡 胶 混 炼 胶 内聚 力 的 工
艺 添 加 剂 主 要是 用 高 分 子 量 的 聚 烯 烃 一 低



天 然 橡胶 〔







?

压 聚 乙 烯 和 高压 聚 乙 烯 其 用 量 为 , 一 ? 重 量 份 时 就 能 改 善混 炼 胶 的 弹 性性 能 并 降 低 收
)
,

磨 成 粉 未 的 并 经 过 对 一 亚 硝 基 二苯 胺 性 处 理 过 的 硫化 胶 ‘ ” ’ 作 为 工 艺 添 加 剂


固 特 异 公 司 的 生 产 厂 在 胎 体贴 前 对 混

缩 率 这 样 就 能使 聚 异 戊
,

,

二 烯 橡 胶4 7 2 一 ?


炼 胶进 行 幅射 处 理



” ”


)

射 线 幅射 的


适用 于 子午线 轮 胎的 生 产 了
,
, 币 6



)

?

剂 量 取 决 于 弹性 体 的 性 质 填 充 剂 油和 所 〔 采用 的 其 他 配 合 剂 综 上 所 述 可 以 采 取 很多 措施 来 改 善 合
,

但 是 牌 号 不 同 的 聚 乙烯会导 致橡胶 的 永 久 变 形 Η升 聚异 戊 二 烯 橡 胶4 7 2 一? 混 炼 胶 中 添加 改性 剂 ; Ο 一 能 使 高压 聚 乙 烯
8

,

成 弹 性 体 馄 炼 胶 的 弹性 性 能 但 是 仅仅 依 靠 改 进 微 观 结 构 减少 非 橡 胶 掺 入 物 和 低 聚 物 的 含 量 提 高分 子 量 或 者把 分 子 量 分 布 调
,
,

)

,

,

和 填 充 剂 更 易 分 布 在 胶 料 中 从而 改 善混 炼 胶 的 弹 性 性 能 在 用 聚 异 戊 二烯 橡 胶 4 7 2 一
)

,

?和

丁 苯 像 胶 生 产 橡胶 制 品 时 在 混 炼 胶 中


,

仍 然 是 不 可 能 使 通 用 合成橡 胶 具 有 高 度 内 聚 力 的 可 以 认 为 最有 发展 前
,

,

节得 窄一些

可 以 适 当 地 添 加 与高 压 聚 乙 烯 有 亲 和 性 的

途 的方 向是 ? 把一 个 或几 个 官 能基接 技 到聚

当 氯 磺化 聚 乙 烯 的 用 量 从 ? 兀 增加 到Π ( 肠% 重 量 ?时 能 使 混 炼 胶 的 内 聚
,

氯磺化案 乙烯
,

合物 的 分 子 链 Η 对 聚 合物 进 行 改 性 处 理 Α 在 改 善 聚 合物 的 组 成 和 微 观 结 构 的 同 时 应 使
,
)

力 提 高. ( = 而 且 对 硫化 胶 的硬 度毫 无 影响

用低分 子量的



具 有 广 谱作 用 的 工 艺 配 合


可 以 通 过 在 胶 料 中 加 人 具 有 较 高 内聚

)

参考 文 献 ( 篇 略
,



力 的 生 胶 %如 乙 丙 胶
,

,

聚 戊 烯 橡胶 氢 化 丁 苯
)

)

胶 摘译 自% 7 < Σ ΡΡ #

,

Θ Ν ? 一0

<



,

::.

,



)

?

4

)

胶 等 ?的 方 法 来 改 善 混 炼 胶 的 内 聚 力

? & 一. 6
? 4 ? 亡》哎洲艾双乏叹习屹公屹〕

注 意 合成 聚 戊 二 烯 橡 胶 和 聚 甲 基 丁 二 烯 橡 胶的 组 合 胶 料 混 炼 胶 具 有 很 高 的拉 伸 强 度 这 类组 合 胶料 的 体 系 内 包 含 着两 种 橡 胶 各 自的 区 域 因 此 结 晶 度 就 更 高
, ,

%上 接第 , ? 页 ?

)

所指 出 的 那 样 ? 7 > ! 7 > ” 常 数 它 们 可 按 有 限 的 试 验 结 果 预 测 填 充量 不 同 的 橡 胶 的




聚 异 戊 二 烯 橡胶 和 苯 乙 烯 丁 二 烯 甲 基 丙 烯 酸 在 共 聚 物 所 构 成 的 组 合 胶 ’ 料‘ 聚异戊 二 烯 橡 胶 和 三元 乙 丙 橡


,





滞后性 能 预测结果 准确性 高超过 了以前 3 Ρ5 式 所 预 测 的 结 果 ” 总 之 可 以 根 据 近 似

) ,



法 用 幂 律 方 程 描 述填 充 量 不 同 的 橡胶 的 动

胶 的 组 合 胶料




Θ


’ 3

,

聚异 戊 二 烯 橡 胶 和

,

聚 戊 烯 胶 的 组 合胶 料


一0 “

,

聚异戊 二烯

态 性 能 与 变 形 的 关 系 由 此 评 价 测 试弹 性 性 能 和 消 耗性 能 用 的 材 料 常 数 而 它 与变 形 无
, 。

橡胶 和牌号 为 5


<0 Φ

0



的 合成 古塔 波

橡 胶 的 组 合胶 料
力的优点
)



都 具有 高 度 内 聚
,

关 所 提 出 的 关 系 式可 用 于 描 述 在 炭 黑 用 量 增 至 / ( 份 时橡 胶 粘 弹性 指 标 的 变 化
)

,

当后 者 的 掺 用 量 为6 一 ?重 量 份 时 就 能 使混 炼 胶 的 强 度 提 高 一 , 倍 改 善
)

参考 文 献? 篇 %哟 摘 译 自 % 7 < Ρ 可Ρ 7
::?
)

2

; Ν?

“2 <



琉 化 胶 的 耐 反 复 屈挠 的 强 度 降低 内耗 系 数 和 动 态模 量 增 加 古 塔 波 橡 胶 的 掺 用 量时
, )
,

.

)

4

)

?一,

混炼 胶 的 内聚 力还 会继 续 上 升 但 橡 胶 的物

,


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