第3章2 结合-包容橡胶-混炼工艺-加工-性能

1、QUST College of Polymer Science and Engineering第四节第四节 结合橡胶结合橡胶4.1 结合橡胶的概念结合橡胶的概念4.2 结合橡胶理论结合橡胶理论4.3 影响结合橡胶的因素影响结合橡胶的因素QUST College of Polymer Science and Engineering4.1 结合橡胶的概念结合橡胶的概念n结合橡胶（结合橡胶（bound- rubber）也称为炭黑凝胶，）也称为炭黑凝胶，是指炭黑混炼胶中不能被橡胶的是指炭黑混炼胶中不能被橡胶的良溶剂良溶剂溶解的溶解的那部分橡胶。那部分橡胶。n通常采用结合橡胶来衡量炭黑和橡胶之间相互通常

2、采用结合橡胶来衡量炭黑和橡胶之间相互作用能力的大小，结合橡胶多则补强性高，所作用能力的大小，结合橡胶多则补强性高，所以结合橡胶是以结合橡胶是衡量炭黑补强能力的标尺衡量炭黑补强能力的标尺。QUST College of Polymer Science and Engineering结合橡胶的测定结合橡胶的测定n将混炼后停放的混炼胶剪成约将混炼后停放的混炼胶剪成约1mm3的小碎块，精确称取约的小碎块，精确称取约0.5g（W1）封包于质量（）封包于质量（W2）的不锈钢网中；的不锈钢网中；n浸于浸于100ml良溶剂如甲苯中，在良溶剂如甲苯中，在室温下浸泡室温下浸泡48h，然后重新换溶，然后重新换溶剂再

3、浸泡剂再浸泡24h；取出滤网真空干；取出滤网真空干燥至恒重（燥至恒重（W3） 。ggWWWW/1123，混炼胶中填料质量分数混炼胶中填料质量分数结合橡胶QUST College of Polymer Science and Engineering4.2 结合橡胶理论结合橡胶理论 1. 发展历史：发展历史：n以前普遍认为炭黑对橡胶的补强是以前普遍认为炭黑对橡胶的补强是炭黑表面的炭黑表面的酸性基团与酸性基团与NR中的碱性基团产生化学作用中的碱性基团产生化学作用的的结果；结果；n但炉法炭黑代替槽法炭黑后，虽然炉法炭黑表但炉法炭黑代替槽法炭黑后，虽然炉法炭黑表面的酸性基团比槽法炭黑低面的酸性基团比槽法

4、炭黑低10倍多，但其补强倍多，但其补强性却好得多。性却好得多。QUST College of Polymer Science and EngineeringnKaufman等证实了聚合物内存在分子活动能力不同的等证实了聚合物内存在分子活动能力不同的3 个区个区:2. 结合橡胶的本质结合橡胶的本质橡胶分子链段活动橡胶分子链段活动受到极大限制的坚受到极大限制的坚硬的内壳（玻璃态，硬的内壳（玻璃态，0.5nm左右）左右）紧密凝胶紧密凝胶活动能力较低的围绕活动能力较低的围绕炭黑的外壳（亚玻璃炭黑的外壳（亚玻璃态，约态，约4.5nm）疏松凝胶疏松凝胶自由活动的自由活动的橡胶区橡胶区QUST Colleg

5、e of Polymer Science and Engineeringn内壳的模量很高，随着与填料表面的距离的增大而逐内壳的模量很高，随着与填料表面的距离的增大而逐渐减小。橡胶壳的体积取决于炭黑渐减小。橡胶壳的体积取决于炭黑-橡胶相互作用的强橡胶相互作用的强度及炭黑的表面积。度及炭黑的表面积。QUST College of Polymer Science and Engineering3. 结合胶的形成结合胶的形成一一 是橡胶大分子链在炭黑粒子表面上的那些是橡胶大分子链在炭黑粒子表面上的那些大于溶解力大于溶解力的的物理吸附物理吸附，要同时解脱所有被炭黑吸附的大分子链，要同时解脱所有被炭黑吸附

6、的大分子链并不是很容易的，只要有一、两个链节被吸附的，就并不是很容易的，只要有一、两个链节被吸附的，就会可能使整个分子链成为结合胶。会可能使整个分子链成为结合胶。二二 是吸附在炭黑表面上的橡胶分子链与炭黑的表面基团是吸附在炭黑表面上的橡胶分子链与炭黑的表面基团结合，或者橡胶在加工过程中经过混炼产生大量橡胶结合，或者橡胶在加工过程中经过混炼产生大量橡胶自由基或离子与炭黑作用，发生自由基或离子与炭黑作用，发生化学结合化学结合，这是生成，这是生成结合胶的主要原因。结合胶的主要原因。QUST College of Polymer Science and Engineeringn实验证明，结合橡胶的含量

7、实验证明，结合橡胶的含量随萃取温度的升高而下降，随萃取温度的升高而下降，这说明炭黑和橡胶间形成这说明炭黑和橡胶间形成结结合橡胶不完全是共价键合橡胶不完全是共价键，主主要是物理吸附作用。要是物理吸附作用。结合橡胶含量与结合橡胶含量与N 330 (50phr) 萃取温度的关系萃取温度的关系结合橡胶的形成机理结合橡胶的形成机理QUST College of Polymer Science and Engineering4.3 影响炭黑结合胶的因素影响炭黑结合胶的因素4.3.1 炭黑的影响炭黑的影响4.3.2 生胶的影响生胶的影响4.3.3 工艺条件的影响工艺条件的影响QUST College of

8、Polymer Science and Engineering4.3.1 炭黑的影响炭黑的影响1炭黑比表面积的影响炭黑比表面积的影响2炭黑结构度的影响炭黑结构度的影响3炭黑粗糙度的影响炭黑粗糙度的影响4. 炭黑表面活性的影响炭黑表面活性的影响5. 炭黑用量的影响炭黑用量的影响QUST College of Polymer Science and Engineering炭黑比表面积的影响炭黑比表面积的影响n结合胶几乎与炭黑的比表结合胶几乎与炭黑的比表面积成正比面积成正比，随着炭黑比，随着炭黑比表面积的增大，吸附表面表面积的增大，吸附表面积增大，吸附量增加，即积增大，吸附量增加，即结合橡胶增加。结

9、合橡胶增加。n右图是右图是11种炭黑在天然橡胶种炭黑在天然橡胶中填充中填充50份时的试验结果。份时的试验结果。nCC是色素炭黑，是色素炭黑，nHMF是高定伸炉法炭黑。是高定伸炉法炭黑。QUST College of Polymer Science and Engineering炭黑结构度的影响炭黑结构度的影响高结构炭黑的结合胶含量较高高结构炭黑的结合胶含量较高据认为主要是由于混炼过程中据认为主要是由于混炼过程中聚集体较易被打破的缘故。这聚集体较易被打破的缘故。这种现象在高结构炭黑情况下更种现象在高结构炭黑情况下更明显。明显。 QUST College of Polymer Science an

10、d Engineering炭黑粗糙度的影响炭黑粗糙度的影响n炭黑的粗糙度越高，表面的微孔越多，炭黑的粗糙度越高，表面的微孔越多，可与橡胶分子触及的表面积越少，形成可与橡胶分子触及的表面积越少，形成的结合橡胶越少。的结合橡胶越少。QUST College of Polymer Science and Engineering炭黑表面活性的影响炭黑表面活性的影响n炭黑石墨化以后，表面的炭黑石墨化以后，表面的活性基团数量减少，形成活性基团数量减少，形成结合橡胶的能力变差。结合橡胶的能力变差。QUST College of Polymer Science and Engineering4.3.2 橡胶性

11、质的影响橡胶性质的影响n结合胶量与橡胶的结合胶量与橡胶的不饱和度和分子量不饱和度和分子量有关。有关。n不饱和度不饱和度:不饱和橡胶更容易生成结合橡胶；饱不饱和橡胶更容易生成结合橡胶；饱和橡胶对槽法炭黑的亲和力更强。和橡胶对槽法炭黑的亲和力更强。QUST College of Polymer Science and Engineering生胶的分子量生胶的分子量n生胶的分子量生胶的分子量:分子量越高，相同的条件下生成分子量越高，相同的条件下生成的结合橡胶量越高。这是因为一个大分子可能的结合橡胶量越高。这是因为一个大分子可能只有一两点被吸附住，但这时它的其余链部分只有一两点被吸附住，但这时它的其余

12、链部分都是结合胶。都是结合胶。QUST College of Polymer Science and Engineering4.3.3 工艺条件的影响工艺条件的影响n薄通次数薄通次数(混炼时间混炼时间)的影的影响响n混炼温度的影响混炼温度的影响n陈化温度和时间的影响陈化温度和时间的影响n压力的影响压力的影响QUST College of Polymer Science and Engineering薄通次数薄通次数(混炼时间混炼时间)nNR结合胶约在结合胶约在10次时为最高，次时为最高，以后有些下降，约在以后有些下降，约在30次后次后趋于平稳。趋于平稳。n50份炭黑填充的氯丁橡胶、份炭黑填充的

13、氯丁橡胶、丁苯橡胶结合胶随薄通次数丁苯橡胶结合胶随薄通次数增加而增加，大约到增加而增加，大约到30次后次后趋于平衡。趋于平衡。n50份炭黑填充的丁基橡胶一份炭黑填充的丁基橡胶一开始就下降，也是约开始就下降，也是约30次后次后趋于平衡。趋于平衡。NR结合橡胶与薄通次数的关系结合橡胶与薄通次数的关系QUST College of Polymer Science and Engineering混炼温度的影响混炼温度的影响n化学反应角度：混炼温度升高，化学反应角度：混炼温度升高，橡胶变得柔软而不易被机械力破橡胶变得柔软而不易被机械力破坏断链形成大分子自由基，炭黑坏断链形成大分子自由基，炭黑也不易产生聚

14、集体的链枝断裂形也不易产生聚集体的链枝断裂形成自由基，因此在高温炼胶时由成自由基，因此在高温炼胶时由于这种作用形成的结合胶会比低于这种作用形成的结合胶会比低温下炼胶的少。温下炼胶的少。n吸附角度：吸附温度提高，结合吸附角度：吸附温度提高，结合胶量提高。胶量提高。n综合结果：炼胶温度升高，结合综合结果：炼胶温度升高，结合胶量下降。胶量下降。QUST College of Polymer Science and Engineering压力和温度的影响压力和温度的影响n较高的压力产生较高的结合橡胶量。较高的压力产生较高的结合橡胶量。n在所有压力下，结合橡胶的量都随温度的升高而增加。在所有压力下，结合

15、橡胶的量都随温度的升高而增加。 n在在150至至200之间之间, 结合橡胶量随温度升高的较小；结合橡胶量随温度升高的较小；n温度超过温度超过200，温度对结合橡胶的影响显著。，温度对结合橡胶的影响显著。n 在约在约210区域中区域中, 结合橡胶的结合橡胶的 量急剧增加。量急剧增加。n 很明显很明显, 这不可能是真实的结这不可能是真实的结 合橡胶的量的值合橡胶的量的值(8095% ) 。n 可能是形成了某些聚合物之间可能是形成了某些聚合物之间 的交联。的交联。 QUST College of Polymer Science and Engineering混炼后停放时间（混炼后停放时间（stora

16、ge maturation）n混炼后随停放时间增加，结合胶量增加，大约混炼后随停放时间增加，结合胶量增加，大约一周后趋于平衡。一周后趋于平衡。炭黑对固体橡胶大分子的吸附不象固体填料对炭黑对固体橡胶大分子的吸附不象固体填料对气体或小分子吸附那么容易。另外化学吸附部气体或小分子吸附那么容易。另外化学吸附部分较慢，也需要一定时间。分较慢，也需要一定时间。最先吸附在炭黑表面的是低分子量的橡胶，在最先吸附在炭黑表面的是低分子量的橡胶，在停放过程中，停放过程中，高分子量部分橡胶把低分子量橡高分子量部分橡胶把低分子量橡胶分子置换出来胶分子置换出来。QUST College of Polymer Scienc

17、e and Engineering第五节第五节 包容橡胶包容橡胶- Occluded rubber n又称吸留橡胶，是被炭黑聚集体的链枝状结构屏蔽（包又称吸留橡胶，是被炭黑聚集体的链枝状结构屏蔽（包藏）的那部分橡胶。藏）的那部分橡胶。5.1 包容橡胶的概念包容橡胶的概念吸留橡吸留橡胶中包胶中包含一部含一部分结合分结合橡胶。橡胶。QUST College of Polymer Science and Engineering5.2 包容橡胶的特性包容橡胶的特性n包容橡胶的数量由包容橡胶的数量由炭黑的结构决定炭黑的结构决定，结构高，结构高的炭黑能形成更多的包容橡胶。的炭黑能形成更多的包容橡胶。n包容

18、橡胶的包容橡胶的运动性运动性受到限制受到限制影响橡胶的影响橡胶的变形特性变形特性影响橡胶的加工性能。影响橡胶的加工性能。n混炼胶包括混炼胶包括结合橡胶结合橡胶，吸留橡胶吸留橡胶, 自由橡胶自由橡胶三部分。三部分。QUST College of Polymer Science and Engineering5.3 包容橡胶量的计算包容橡胶量的计算)46.102139.01(DBP式中：式中：为胶料中炭黑加包容橡胶的体积分数；为胶料中炭黑加包容橡胶的体积分数； 为胶料中炭黑的体积分数；为胶料中炭黑的体积分数； DBP为炭黑的为炭黑的DBP吸油值，吸油值，cm3/100g炭黑炭黑v = - v包容胶

19、的体积分数。包容胶的体积分数。 Medalia根据炭黑聚集体的电镜观测、模型、计算根据炭黑聚集体的电镜观测、模型、计算等大量研究工作提出下列经验公式：等大量研究工作提出下列经验公式：QUST College of Polymer Science and Engineering包容橡胶包容橡胶nDBP吸油值越高，也就是炭黑聚集体结构度越高，吸油值越高，也就是炭黑聚集体结构度越高，即聚集体链枝结构越发达，包容胶越多。即聚集体链枝结构越发达，包容胶越多。n上式已获实际应用，但在计算填充炭黑胶的应力上式已获实际应用，但在计算填充炭黑胶的应力时，发现式时，发现式2-7计算的结果比实测值高，比例为计算的结

20、果比实测值高，比例为1:0.68，说明在这样的拉伸条件下，包容胶中的，说明在这样的拉伸条件下，包容胶中的橡胶大分子还是有一定的活动性，橡胶大分子还是有一定的活动性，Medalia公式公式有一定的局限性。有一定的局限性。QUST College of Polymer Science and Engineering第六节第六节 炭黑的混入与分散炭黑的混入与分散可以分为三个阶段：可以分为三个阶段：n湿润阶段湿润阶段n分散阶段分散阶段1.过炼阶段过炼阶段 QUST College of Polymer Science and Engineering1. 湿润阶段湿润阶段 n通过橡胶的变形实现对炭黑表面

21、的湿润和充分接触，并通过橡胶的变形实现对炭黑表面的湿润和充分接触，并逐渐渗入到炭黑结构的内部空隙，将内部空气完全排除逐渐渗入到炭黑结构的内部空隙，将内部空气完全排除而充满空隙的过程，也称而充满空隙的过程，也称吃粉阶段吃粉阶段。n橡胶的粘度越低，流动变形能力越大，对炭黑粒子的湿橡胶的粘度越低，流动变形能力越大，对炭黑粒子的湿润和渗透能力越强，混合吃粉的速度也越快，所以润和渗透能力越强，混合吃粉的速度也越快，所以提高提高温度有利于加快吃粉速度温度有利于加快吃粉速度；n炭黑本身的结构也影响吃粉，结构度高的吃粉慢。炭黑本身的结构也影响吃粉，结构度高的吃粉慢。n随着混炼的进行，胶料的视密度逐渐增大；随着

22、混炼的进行，胶料的视密度逐渐增大；n比容（比容（V胶胶V生胶生胶V炭黑炭黑V空气空气）减少到最低值，湿润阶）减少到最低值，湿润阶段的结束，形成炭黑浓度很高的炭黑橡胶团块，分布段的结束，形成炭黑浓度很高的炭黑橡胶团块，分布在不含炭黑的生胶中。在不含炭黑的生胶中。QUST College of Polymer Science and Engineering2. 分散阶段分散阶段n炭黑橡胶结合胶块在机械剪切、拉伸变形作炭黑橡胶结合胶块在机械剪切、拉伸变形作用下，被进一步粉碎分开而使颗粒尺寸逐渐变用下，被进一步粉碎分开而使颗粒尺寸逐渐变小，分散到整个生胶中的过程。小，分散到整个生胶中的过程。n随着粉碎

23、的进行，炭黑与橡胶的接触面积增加，随着粉碎的进行，炭黑与橡胶的接触面积增加，结合胶的量增加；因为破碎结合胶块能耗大，结合胶的量增加；因为破碎结合胶块能耗大，所以出现能耗最高峰，分散阶段结束。所以出现能耗最高峰，分散阶段结束。n此时，此时，90%以上以上CB的分散相尺寸在的分散相尺寸在5m以下。以下。QUST College of Polymer Science and Engineering3. 过炼阶段过炼阶段n继续混炼，炭黑附聚体进一步破坏，当继续混炼，炭黑附聚体进一步破坏，当后者大于结合胶的作用时，粘度下降。后者大于结合胶的作用时，粘度下降。QUST College of Polymer

24、 Science and Engineering第七节第七节 炭黑对橡胶加工性能的影响炭黑对橡胶加工性能的影响7.1 炭黑对混炼的影响炭黑对混炼的影响7.2 炭黑对混炼胶粘度的影响炭黑对混炼胶粘度的影响7.3 炭黑对压延压出的影响炭黑对压延压出的影响7.4 炭黑对硫化的影响炭黑对硫化的影响QUST College of Polymer Science and Engineering7.1 对混炼的影响对混炼的影响n粒径的影响粒径的影响 粒径小，吃粉慢，粒径小，吃粉慢，生热高，耗能高，分散生热高，耗能高，分散困难。困难。n结构的影响结构的影响 结构高的吃粉慢，结构高的吃粉慢，但分散快，分散度高。

25、但分散快，分散度高。QUST College of Polymer Science and Engineering7.2 对混炼胶粘度的影响对混炼胶粘度的影响n混炼胶粘度的估算混炼胶粘度的估算：把炭黑粒子看作球形粒子，该悬浮液把炭黑粒子看作球形粒子，该悬浮液的粘度可用的粘度可用Einstein-Guth公式表示，后来公式表示，后来Guth-Gold对炭对炭黑填充橡胶的粘度作了修改。黑填充橡胶的粘度作了修改。n 式中式中 填充炭黑胶料的粘度；填充炭黑胶料的粘度； 0 橡胶基体的粘度；橡胶基体的粘度； 填充炭黑的填充炭黑的体积分数体积分数。 Einstein-Guth公式：公式：Guth-Gold

26、公式公式:)5 . 21 (0)1 .145 . 21 (20QUST College of Polymer Science and Engineering7.2 对混炼胶粘度的影响对混炼胶粘度的影响n填充量越高，混炼胶的粘度越高；填充量越高，混炼胶的粘度越高；n炭黑的炭黑的粒径粒径越小，结合胶量也越多，粘度越高；越小，结合胶量也越多，粘度越高；n炭黑的炭黑的结构度结构度越高，包容胶量越多，等于炭黑的越高，包容胶量越多，等于炭黑的有效填充体积分数增大，混炼胶粘度也提高。有效填充体积分数增大，混炼胶粘度也提高。QUST College of Polymer Science and Enginee

27、ring炭黑用量对混炼胶粘度的影响炭黑用量对混炼胶粘度的影响QUST College of Polymer Science and Engineeringn多数填料为非球形粒子而且呈聚集态分散，多数填料为非球形粒子而且呈聚集态分散，Medalia用含有包容橡胶的炭黑体积分数用含有包容橡胶的炭黑体积分数有效炭黑体积分数有效炭黑体积分数eff.代替炭黑的体积分数，代替炭黑的体积分数，Guth-Gold式变为：式变为：)1 .145 . 21 (2.0effeffQUST College of Polymer Science and Engineering7.3 对压延压出的影响对压延压出的影响n影

28、响压延、压出性能的主要因素是炭影响压延、压出性能的主要因素是炭黑的黑的结构和用量结构和用量，而炭黑的，而炭黑的粒径和表粒径和表面性质面性质对压延、压出的影响不大。对压延、压出的影响不大。n炭黑的结构度高，混炼胶的压出速度快，口型炭黑的结构度高，混炼胶的压出速度快，口型膨胀率小，半成品表面光滑；膨胀率小，半成品表面光滑；n炭黑的用量多，压出速度快，口型膨胀率小。炭黑的用量多，压出速度快，口型膨胀率小。 QUST College of Polymer Science and Engineering7.4 炭黑对硫化的影响炭黑对硫化的影响 1. 炭黑表面性质对硫化特性的影响炭黑表面性质对硫化特性的影

29、响n炭黑表面含氧基团（酸性基团）含量多，对促进剂的吸炭黑表面含氧基团（酸性基团）含量多，对促进剂的吸附量大；炭黑表面酸性基团能阻碍自由基的形成，又能附量大；炭黑表面酸性基团能阻碍自由基的形成，又能在硫化初期抑制在硫化初期抑制双基硫双基硫的产生，所以会迟延硫化。的产生，所以会迟延硫化。n槽黑因粒子表面粗糙，槽黑因粒子表面粗糙，吸附促进剂吸附促进剂的量高，相当于减少的量高，相当于减少促进剂的用量，因而会迟延硫化。促进剂的用量，因而会迟延硫化。n而而PH值高的炉法炭黑一般无迟延现象。值高的炉法炭黑一般无迟延现象。QUST College of Polymer Science and Engineer

30、ing7.4 对硫化的影响对硫化的影响2. 炭黑的结构和粒径对硫化特性的影响炭黑的结构和粒径对硫化特性的影响n随着炭黑的随着炭黑的结构度提高、粒径减小结构度提高、粒径减小、用、用量增加，量增加，促进焦烧促进焦烧的趋势越显著。的趋势越显著。QUST College of Polymer Science and Engineering第八节第八节 炭黑对硫化胶性能的影响炭黑对硫化胶性能的影响8.1 炭黑对硫化胶一般性能的影响炭黑对硫化胶一般性能的影响8.2 炭黑对橡胶导电性的影响炭黑对橡胶导电性的影响QUST College of Polymer Science and Engineering8.

31、1 炭黑对硫化胶一般性能的影响炭黑对硫化胶一般性能的影响n总体来说，总体来说，炭黑的粒径炭黑的粒径对橡胶的对橡胶的拉伸强度、拉伸强度、撕裂强度、耐磨耗性撕裂强度、耐磨耗性的影响是主要的。的影响是主要的。n炭黑的结构度炭黑的结构度对橡胶对橡胶模量模量的影响是主要的。的影响是主要的。n炭黑表面活性对各种性能都有影响。炭黑表面活性对各种性能都有影响。 QUST College of Polymer Science and Engineering8.1.1 炭黑粒径的影响炭黑粒径的影响 QUST College of Polymer Science and EngineeringDBP吸油值相近的炭黑

32、粒径对性能的影响吸油值相近的炭黑粒径对性能的影响 QUST College of Polymer Science and EngineeringF粒径与硬度粒径与硬度QUST College of Polymer Science and Engineering粒径与扯断伸长率粒径与扯断伸长率QUST College of Polymer Science and Engineering粒径与回弹性粒径与回弹性QUST College of Polymer Science and Engineering粒径与撕裂强度粒径与撕裂强度QUST College of Polymer Science an

33、d Engineering8.1.2 炭黑结构度的影响炭黑结构度的影响n炭黑的结构对炭黑的结构对定伸应力定伸应力、硬度硬度和和弹性弹性均有较大均有较大的影响。的影响。n填料的存在减少了硫化胶中弹性橡胶大分子的填料的存在减少了硫化胶中弹性橡胶大分子的体积分数，结构高的炭黑包容胶多，更大程度体积分数，结构高的炭黑包容胶多，更大程度地减少了橡胶大分子的体积分数。地减少了橡胶大分子的体积分数。n结构对耐磨耗性只有在苛刻的磨耗条件下才表结构对耐磨耗性只有在苛刻的磨耗条件下才表现出一定的改善作用。现出一定的改善作用。QUST College of Polymer Science and Engineeri

34、ng8.1.3 炭黑表面性质的影响炭黑表面性质的影响-表面形态表面形态n炭黑粒子的炭黑粒子的表面活性表面活性及及结晶尺寸结晶尺寸对补强作用有对补强作用有一定的影响。一定的影响。n例如，将例如，将ISAF炭黑经部炭黑经部分石墨化后，与橡胶的分石墨化后，与橡胶的结合能力下降，补强能结合能力下降，补强能力下降，例如定伸强度力下降，例如定伸强度下降，拉伸强度下降，下降，拉伸强度下降，耐磨耗性能下降，这说耐磨耗性能下降，这说明炭黑表面晶体结构直明炭黑表面晶体结构直接影响炭黑的补强性。接影响炭黑的补强性。丁苯橡胶的应力丁苯橡胶的应力-应变曲线应变曲线1补强性炭黑；补强性炭黑；2纯硫化胶；纯硫化胶；3大粒子

35、炭黑；大粒子炭黑；4石墨化炭黑石墨化炭黑QUST College of Polymer Science and Engineering表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响n随着粗糙度的增大，硫化胶的定伸应力、随着粗糙度的增大，硫化胶的定伸应力、拉伸强度、耐磨性和耐屈挠龟裂性下降，拉伸强度、耐磨性和耐屈挠龟裂性下降，而回弹性、伸长率则增大。而回弹性、伸长率则增大。n因为炭黑表面的孔隙度增加后，橡胶大分因为炭黑表面的孔隙度增加后，橡胶大分子很难进入这些微孔，相当于与大分子接子很难进入这些微孔，相当于与大分子接触的有效面积减少，等于外比表面积下降，触的有效面积减少，等于外比表面积下降，补强效果下降。补强

36、效果下降。QUST College of Polymer Science and Engineering表面化学基团的影响表面化学基团的影响n炭黑表面的含氧基团对通用不饱和橡胶的补炭黑表面的含氧基团对通用不饱和橡胶的补强作用影响不大；强作用影响不大；n而对于饱和橡胶来说，而对于饱和橡胶来说，含氧官能团含氧官能团对对IIR的补的补强作用非常重要，含氧基团多的槽法炭黑补强作用非常重要，含氧基团多的槽法炭黑补强性高。强性高。QUST College of Polymer Science and Engineering8.2 炭黑对橡胶导电性的影响炭黑对橡胶导电性的影响n炭黑的炭黑的粒径越小粒径越小，

37、粒子间的间距越小，电子跃，粒子间的间距越小，电子跃迁容易，导电性能好。迁容易，导电性能好。n炭黑的炭黑的结构度越高结构度越高，相同用量时聚集体间的距，相同用量时聚集体间的距离小，导电性能好；多数导电炭黑都是离小，导电性能好；多数导电炭黑都是高结构高结构度度的炭黑。的炭黑。n炭黑的用量越多，导电性越好。炭黑的用量越多，导电性越好。n常用的导电炭黑有常用的导电炭黑有乙炔炭黑乙炔炭黑，N472等高结构度等高结构度炭黑。炭黑。QUST College of Polymer Science and Engineering第九节第九节 炭黑的补强机理炭黑的补强机理9.1 Payne 效应效应9.2 应力软

38、化效应应力软化效应9.2 炭黑的补强机理炭黑的补强机理QUST College of Polymer Science and Engineeringn 纯的弹性体在小动态应变下的动态机械性能由温纯的弹性体在小动态应变下的动态机械性能由温度和频率决定，而不依赖于度和频率决定，而不依赖于形变形变的大小。的大小。n 但填充橡胶却并非如此，炭黑的存在带来了但填充橡胶却并非如此，炭黑的存在带来了动态动态机械性能对动态应变振幅的依赖性机械性能对动态应变振幅的依赖性。n 炭黑填充橡胶因此被归为非线性粘弹材料。炭黑填充橡胶因此被归为非线性粘弹材料。9.1 Payne 效应效应QUST College of P

39、olymer Science and Engineering在在G急剧下降处急剧下降处G”和和tan出现最大值，这出现最大值，这与填充橡胶的一些最与填充橡胶的一些最常用的场合如轮胎胎常用的场合如轮胎胎面相对应。面相对应。在特定的频率和温度下，填充胶的弹性模量随应变幅度的增在特定的频率和温度下，填充胶的弹性模量随应变幅度的增加从加从“零振幅零振幅”时的平台值时的平台值G0下降到下降到“高振幅高振幅”时的另一时的另一个平台值个平台值 G。 Payne 效应效应QUST College of Polymer Science and Engineering对对Payne效应的解释效应的解释nPayne

40、效应被认为是效应被认为是填料间物理结合在填料间物理结合在剪切应变作用下逐渐被破坏的结果剪切应变作用下逐渐被破坏的结果，或，或更确切的说是由更确切的说是由炭黑二次聚集体形成的炭黑二次聚集体形成的网络结构的破坏网络结构的破坏引起的。引起的。QUST College of Polymer Science and Engineering9.2 应力软化效应应力软化效应n1. 应力软化效应应力软化效应：也：也称为称为Mullins效应效应 。n实际上，实际上，Payne效应效应是应力软化现象的一是应力软化现象的一个反映。个反映。%100121wwwwQUST College of Polymer Science and Engineering3. 应力软化的恢复应力软化的恢复 n因为炭黑的吸附是动态的，因为炭黑的吸附是动态的，应力软化有恢复