炭黑补强机理.ppt

1、炭黑补强机理,填料的性质对橡胶橡疲劳老化的影响,活性填料 活性填料有较大的比表面积和较强的表面活性，能使橡胶分子在其粒子表面形成一层致密的结构，使体系中橡胶分子空间分布的均匀性差异很大，在疲劳过程中这种不均质的状态容易产生应力集中现象，从而加速了疲劳老化过程。 活性小的填料 活性小的填料对橡胶分子的吸附能力小,在离子表面上不能形成致密的结构，应而橡胶分子的空间分布较为均匀，在疲劳过程中橡胶分子受较小的束缚而具有较大的活动性，并易从填料粒子表面上脱落下来,减轻体系的不均质程度,结果出现了较好的耐疲劳老化性 。,表面吸附层理论,该理论认为，炭黑与橡胶生成了微观多相不均匀结构，属于一种复合材料的补强

2、机理。,核磁共振研究证实，在炭黑表面有一层由两种运动状态橡胶大分子构成的吸附层。在紧邻着炭黑表面的大约0.5nm（相当于大分子直径）的内层，呈玻璃态；离开炭黑表面大0.55.0nm范围内的橡胶有点运动性，呈亚玻璃态，这层叫外层。这两层构成了炭黑表面上的双壳层。双壳层的厚度e基本上是上述范围 ，这个双壳的界面层内中的结合能必定从里向外连续下降，即炭黑表面对大分子运动性的束缚不断下降，最后到橡胶分子不受束缚的自由状态。,A相（未交联或交联少的橡胶区，交联点间的分子链长度80100nm)，橡胶中分子或链段未被炭黑吸附，能进行分子热运动，接近生胶的状态，主要提供橡胶的高弹性能。,炭黑填充的硫化胶的结合

3、胶模型 A相进行微布朗运动的橡胶分子链； B相交联团相；C相被填料束缚的橡胶相,B相（橡胶的交联区），因交联，分子运动受束缚，但比C相活动能力强。能提高橡胶的高弹性和强度。作用大小取决于B相在硫化胶中的分布状态，B相的直径大小、两相邻B相之间的距离以及交联键的类型、密度和分布的均匀性。,炭黑填充的硫化胶的结合胶模型 A相进行微布朗运动的橡胶分子链； B相交联团相；C相被填料束缚的橡胶相,C相（结合橡胶区），橡胶分子在炭黑粒子周围形成的稠密集合、定向排列、相互交错的非运动性结合橡胶层。C相结构对弹性无贡献，但对强度和耐久性能有极大的补强作用。,炭黑填充的硫化胶的结合胶模型 A相进行微布朗运动的橡

4、胶分子链； B相交联团相；C相被填料束缚的橡胶相,物理吸附 当炭黑和橡胶分子在湿润温度以上混炼时，橡胶分子链可以进行较强的分子热运动，进入炭黑粒子的吸引力界限以内，并被炭黑粒子表面吸附取向。此状态为橡胶对炭黑的浸润状态。若温度低于流动温度，分子链运动能力弱，不能进入炭黑吸引范内，则补强效果不理想。,措施 提高填料粒子的分散度（降低炭黑等填料的粒径）和采用表面活性剂以提高填料粒子对橡胶的浸润性，有助于补强效果。,C相中有物理吸附和化学结合,化学结合 在混炼时橡胶分子断裂成自由基，与炭黑表面的活性中心发生结合作用，或炭黑表面含氧基团和自由基在硫化时与橡胶分子发生交联作用形成化学结合。,综上，炭黑补

5、强作用主要是，炭黑的加入改变了橡胶的结构，产生了C相结构。在硫化胶中，若炭黑得到较好的分散，并且每个炭黑粒子表面都形成C相结构， C相起着骨架作用联结A相和B相。构成一个橡胶大分子与填料整体网络，改变了硫化胶的结构，因而提高了硫化胶的物理机械性能。,橡胶大分子链滑动学说,该理论的核心是橡胶大分子能在炭黑表面上滑动，由此解释了补强现象。炭黑粒子表面的活性不均一，有少数强的活性点以及一系列的能量不同的吸附点。吸附在炭黑表面上的橡胶链可以有各种不同的结合能量，由多数弱的范德华力的吸附以至少量强的化学吸附。吸附的橡胶链段在应力作用下会滑动伸长。,大分子滑动学说的基本概念示意图,(1)表示胶料原始状态，长短不等的橡胶分子链被吸附在炭黑粒子表面上。,(2)当伸长时，这条最短的链不是断裂而是沿炭黑表面滑动，原始状态吸附的长度用点标出，可看出滑移的长度。这时应力由多数伸直的链承担，起应力均匀作用，缓解应力集中为补强的第一个重要因素。,(3)当伸长再增大，链再滑动，使橡胶链高度取向，承担大的应力，有高的模量，为补强的第二个重要因素。由于滑动的摩擦使胶料有滞后损耗。损耗会消去一部分外力功，化为热量，使橡胶不受破坏，为补强的第三个因素。,(5)在适宜的情况(加膨胀)下，经过长时间，由于橡胶链的热运动，吸附与解吸附的动态平衡，粒子间分子链长度的重新分布，胶料又恢复至接近于原始状态。