炭黑补强机理
图4-1 炭黑填充的硫化胶的结合胶膜型
1.表面吸附层理论
表面吸附层理论又称为“壳层结构模型”或“结合胶壳层结构模型”。该理论认为炭黑补强的橡胶之所以具有许多优异性能,原因在于炭黑与橡胶生成了微观多相不均匀结构,属于种复合材料的补强机理。图4-1为炭黑填充的硫化胶的结合胶模型。橡胶促进剂生产厂家欧文新材料为您提供最优质的产品及服务，真正为您解决难题。
A相(未交联或交联少的橡胶区,交联点间的分子链长度为80~100nm),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。B相(橡胶的交联区),因为交联,分子运动受到一定束缚,但比C相活动能力强。这部分结构对橡胶的高弹性和强度均有较大的贡献,其贡献大小取决于B相在硫化胶中的分布状态,包括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等。C相(即结合橡胶区),是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的结合橡胶层。C相的存在将影响A、B相的运动。C相结构对橡胶的弹性无贡献,但对强度和耐久性能有极大的补强作用。
当炭黑和橡胶分子在湿润温度(相当于流动温度T()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,并被炭黑粒子表面所吸附取向。此种状态称为橡胶对炭黑的浸润状态。如果温度低于T,分子链活动能力弱,不能运动至炭黑的吸引范围之内,不能构成理想的二维取口向状态,此时补强效果则不理想。有实验表明,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,将有助于补强效果的提高。炭黑粒子和橡胶分子形成了化学结合,这是由于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导致。综上所述,炭黑之所以具有补强作用,主要是炭黑的加入改变了橡胶的结构,产生了C相结构(结合橡胶层),在硫化胶中,如果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,则在整个硫化胶中起到骨架作用,将A、B等相连接起来,有效地改善了硫化胶的力学性能,具有非常好的补强效果。
2.分子链滑动理论
有事实表明,经炭黑补强的硫化胶,当炭黑表面活性越大则硫化胶的强度越高;而且在受到拉伸时会出现应力软化现象(即加有补强剂的橡胶反复受力后出现的弹性模量降低的现象)。这些现象可由分子链滑动理论解释。该理论认为炭黑粒子表面的活性是不均一的,存在着少数强活性点及大量的能量不同的吸附点。因此炭黑对其表面上的橡胶链有不同的结合能量,可以是多数的由范德华力引起的吸附或少数的化学结合键。当炭黑补强硫化胶受到外力作用时,被吸附的橡胶链段会在炭黑粒子表面滑动伸长,于是产生以下补强效应。
①当分子链滑动时,大量的物理吸附的解析作用吸收外力而起到缓冲作用;②由于滑动摩擦使胶料产生高滞后损耗,损耗会消耗一部分能量,并转化为热能耗散掉,从而保护橡胶不受破坏;③分子链滑动的结果,是使橡胶链高度定向,使应力均匀分布,从而承担了大的应力或模量。以上效应的结果,可使橡胶的强度大大提高,抵抗破裂。上述理论可以解释炭黑补强橡胶的有关现象。事实表明,能量损托大(生热大)的胶料有较高的强度,断裂能量最大的胶料有最大的应力软化效应。
