基于填充橡胶中炭黑分散程度的橡胶疲劳破坏模型

第38卷第6期2011年6月世界橡胶工业World Rubber Industry Vol．38No．6：20 23

Jun．2011

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理论研究基于填充橡胶中炭黑分散程度

的橡胶疲劳破坏模型

关兵峰，马国富，魏荣梅，陈兵勇

（中国航天科技集团四院四十二所，湖北襄樊441003）

摘要：

该文研究了炭黑分散程度对橡胶疲劳性能的影响，利用SEM （扫描电子显微镜）研究了

橡胶疲劳前后炭黑形态的变化。从断裂力学理论角度，提出了一种基于炭黑分散程度对橡胶疲劳寿命影响的橡胶疲劳破坏模型，结合已报道过的实验对此模型的合理性进行了分析。

关键词：

炭黑分散程度；疲劳；模型

中图分类号：TQ 330．1+

3

文献标识码：B

文章编号：1671-8232（2011）06-0020-04橡胶制品具有独特的高弹性因而在各种减振领域有着广泛的应用，了解橡胶材料的疲劳破坏机理有助于人们设计出疲劳寿命更长的橡

胶材料［1］

。目前，

被人们广泛接受的疲劳机理主要是断裂力学理论及唯象理论

［2］

。尽管出

发点不同，但这二种理论均认为疲劳破坏源于

外加因素的作用，使橡胶内部的微观缺陷或薄弱处逐渐遭到破坏。由于橡胶材料的疲劳寿命受多种因素的影响

［3］

，破坏机理可能大相径

庭，本文从炭黑分散程度对疲劳寿命影响的实验出发，借助SEM （电子显微镜）研究了橡胶疲劳前后微观结构的变化，综合文献中报道的一些实验，提出了一个基于炭黑分散程度对疲劳性能影响的橡胶疲劳破坏模型。

1

实验

1．1

基本配方及试样制备

胶料基本配方：NR ，

100；促进剂CZ ，1．5；促进剂M ，

1．2；硫磺，2；防老剂D ，2；硬脂酸，2．5；氧化锌，5；N330，50。原材料牌号及产地为天然橡胶，标准胶5#

，云南农垦产品；炭黑，N330，龙星炭黑公司产品；其他配合剂均为市售工业品级。

使用XK160型开炼机按常规步骤制备混炼胶，硫化条件为：160ħˑt 90ˑ20MPa ，试片放

置24h 后进行疲劳寿命测定。

1．2仪器及性能测试

疲劳寿命

使用江都明珠实验机械厂生产

的立式疲劳试验机测定试样的定伸疲劳，测定条件：温度25ħ；80%定伸；频率，

4Hz 。混炼胶应变扫描采用美国TA 公司生产

的ARES 高级扩展流变仪进行测试，测试条件：温度80ħ，频率1Hz ，试样厚度为2ʃ0．1mm 。采用日本JSM —6030LV 型SEM ，在试样新

切出的断面表面喷金后进行观察，疲劳后试样切面与拉伸方向平行。

2

疲劳模型的提出

2．1

炭黑分散程度对橡胶疲劳寿命的影响

根据Palmegren 的观点［4］

，填料与橡胶的

混炼工艺可分混入、分散、混合和塑化四个阶

段。通常使用开炼机进行混炼的步骤为：生胶使用小辊距薄通使之包辊后，逐步放大辊距，加入各种配合剂进行混炼。待胶料吃粉完毕后再进行薄通使填料均匀分散。混入阶段可理解为

橡胶在较大辊距下的“吃粉”

过程。因此，可以通过控制薄通次数来获得不同分散程度的样品，制备大批混炼胶至吃粉结束后，将其分为八

份，每份进行X 遍薄通后编号FX ，对不同薄通次数的样品进行应变扫描，结果如图1所示。

图1

不同薄通次数样品应变扫描结果

炭黑在橡胶中的理想分散状态为一次聚结

集体分散，

但通常都达不到理想的分散而含有大量二次聚集体。Payne 研究发现

［5］

，当对炭

黑填充混炼胶施加一定的剪切变形后炭黑二次

聚集体会发生破坏，导致混炼胶剪切模量骤降，这就是著名的Payne 效应。炭黑分散越差，二

次聚集体含量越高，

则模量下降幅度越大，因此，该效应也可以用来表征填料分散程度。从图1可以看出，

随薄通次数的增加，模量下降幅度变小，说明炭黑分散趋好。图2为薄通次数

与疲劳寿命之间的关系。从图中可以看出，随薄通次数的增加，炭黑分散程度提高，天然橡胶疲劳寿命也显著延长

。

图2炭黑分散与疲劳寿命的关系

2．2疲劳前后橡胶SEM 分析

炭黑一次聚结体的尺寸大约在0．2μm 左

右，其二次聚集体大约为5 100μm ［6］

，因此可

用SEM 来观测炭黑形态在疲劳前后的变化。如图3所示，图A 为天然橡胶疲劳前断面上炭黑的形态，图B 为经受20万次疲劳后在应力方

向断面上炭黑的形态

。

图3

炭黑填充天然橡胶疲劳前后SEM 图像对比

正如图3A 所示，天然橡胶内部存在着大

量的炭黑二次聚集体（a ），图3B 为试样经过20万次拉伸疲劳之后在拉伸方向上的SEM 图像。从颗粒尺寸上看，二次聚集体体积及数量均大大减少（d ），可以观察到大量的一次聚结体（c ）并产生了微细孔洞（b ），这说明炭黑二次聚集体在疲劳过程中发生了破坏。图中可以很清晰地看出，橡胶在拉伸方向上发生了取向，同时，仍存在的炭黑二次聚集体也发生了一定程度的取向。因此可以推测，炭黑二次聚集体的破坏是由于附着在其表面的橡胶在循环应力作用下发生了移动，牵引原本松散的炭黑二次聚集体分开。

2．3基于炭黑分散程度的橡胶疲劳破坏模型上文叙述了炭黑分散程度对橡胶疲劳性能的影响。现从橡胶分子链滑动模型及橡胶疲劳破坏断裂力学唯象理论出发，提出了一个基于炭黑分散程度对橡胶疲劳性能影响的橡胶疲劳破坏模型（见图4）

。

图4

基于炭黑分散程度的橡胶疲劳破坏模型示意图

该模型认同橡胶分子链滑动模型理论关于

补强的看法［7］

，即认为分子链能够在炭黑表面上滑动，形成了一种由炭黑构成节点的网络结

·

12·第38卷第6期关兵峰，等．基于填充橡胶中炭黑分散程度的橡胶疲劳破坏模型