应变速率对炭黑填充丁苯硫化胶应力-应变行为的影响

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230385

摘要/Abstract

摘要：

橡胶材料的应力-应变行为是决定其应用性能的关键指标之一，不同使用条件特别是应变速率对橡胶材料的性能提出了不同的要求。从炭黑补强橡胶的角度出发，系统研究N330、N660和N774这3种炭黑填充丁苯硫化胶的应力-应变行为随应变速率的变化情况。实验发现，丁苯硫化胶的定伸应力均随应变速率增加而增加，且炭黑的补强性能越高定伸应力的增加幅度越大；对任一硫化胶，定伸应力的增长幅度均随应变的增加而减小；当应变达到某一临界值（如300%）时，应变速率对定伸应力增长幅度的影响趋于一致，与是否填充炭黑及炭黑的补强性能无关。在准静态的拉伸测试中，炭黑在橡胶基体中形成的网络化结构将随应变的增加而逐渐破坏，但破坏程度主要与应变大小有关而与应变速率无关。

关键词: 丁苯硫化胶, 炭黑, 应力-应变行为, 表面活性, 填料网络化

Abstract:

The stress-strain behavior of rubber compounds is one of the key items to determine its application performance， and the different service conditions， especially the strain rate， have variable requirements for the performance of rubber compounds. The influence of tension strain rate on the stress-strain behavior of styrene butadiene rubber （SBR） vulcanizates filled with 3 kinds of carbon black was investigated from the point of view of rubber reinforcement. It was found that the stress at a given elongation of any SBR vulcanizate increases with increasing strain rate， and the more reinforcing the carbon black， the higher increment rate the stresses. For any given SBR vulcanizate， the stress increment rate decreases with the increase in strain. As the strain exceeds the critical points， such as 300%， the effect of strain rate on the rate of stress increase is becoming equivalent and independent of carbon black grades. From a filler reinforcement point of view， the tensile modulus of filled vulcanizates in the plateau region is governed by the surface activity of the carbon black. In quasi-static tension test， the networking of carbon black in vulcanizate will be gradually broken with increasing strain， which the break-up is predominantly controlled by strain rather than strain rate.

Key words: Styrene butadiene rubber vulcanizate, Carbon black, Stress-strain behavior, Surface activity, Filler networking

中图分类号:

O631

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图/表 8

表1 N330、N660和N774的胶体指标测试结果

Table 1 Colloidal properties of carbon black N330， N660 and N774

Sample	100 COAN/（mL·g^-1）	N₂SA/（m²·g^-1）	Tint/%	D_mean/nm	D_mode/nm	FWHM/nm	FWHM/D_mode
N774	63.1	30.0	56	233	199	204	1.025
N660	74.0	34.8	60	203	156	144	0.923
N330	84.2	74.5	104	101	97	90	0.932

图1 N330，N660和N774炭黑的聚结体的微分体积分布（A）和不同尺寸区间的体积分布（B）

Fig.1 Differential volume distribution （A） and volume fraction by aggregate size （B） of carbon black N330， N660 and N774

图2 3种炭黑填充丁苯硫化胶在应变速率下的应力-应变（A）和拉伸模量-应变（B）曲线

Fig.2 Stress-strain （A） and tensile modulus-strain （B） curves of SBR vulcanizate filled with three kinds of carbon black at strain rate of 0.3333 s-1

图3 3种炭黑填充丁苯胶的结合胶含量

Fig.3 Bound rubber content of SBR compound filled with different grades of carbon black

图4 未填充（A）、N774填充（B）、N660填充（C）和N330填充（D）硫化胶的定伸应力与应变速率间关系

Fig.4 Dependence of stress at given elongation on strain rate of four kinds of unfilled （A）， N774 filled （B）， N660 filled （C） and N330 filled （D） SBR vulcanizate

图5 应变速率增大到原来20倍（从0.0333 s-1到0.6667 s-1）时定伸应力的增幅

Fig.5 Increment rate of stress at given elongation after strain rate increases to 20 times （0.0333 s-1 to 0.6667 s-1）

图6 4种硫化胶在固定0.3333 s-1应变速率下的双对数应力-应变曲线

Fig.6 Double-logarithmic stress-strain curves of four kinds of SBR vulcanizate at strain rate of 0.3333 s-1

图7 N330炭黑填充硫化胶在不同应变速率下的标准（A）和双对数（B）应力-应变曲线

Fig.7 Standard （A） and double-logarithmic （B） stress-strain curves of SBR vulcanizate filled with N330 at different strain rate

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