炭黑补强机理学习教案

1、会计学1炭黑炭黑(tn hi)补强机理补强机理第一页，共13页。表面吸附表面吸附(xf)层理论层理论该理论认为，炭黑与橡胶生成了微观多相不均匀该理论认为，炭黑与橡胶生成了微观多相不均匀(jnyn)结构，属于一种复合材料的补强机理。结构，属于一种复合材料的补强机理。 核磁共振研究证实，在炭黑表面有一层由两种运动核磁共振研究证实，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状态橡胶大分子构成的吸附层。在紧邻着炭黑表面的大约约0.5nm（相当于大分子直径）的内层，呈玻璃态；离（相当于大分子直径）的内层，呈玻璃态；离开炭黑表面大开炭黑表面大0.55.0nm范围内的橡胶有点

2、运动性，呈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。双壳层的厚度壳层。双壳层的厚度e基本上是上述基本上是上述(shngsh)范围范围 ，这个双壳的界面层内中的结合能必定从里向外连续下，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。到橡胶分子不受束缚的自由状态。 第2页/共13页第二页，共13页。A相（未交联或相（未交联或交联少的橡胶交联少的橡胶区，交联点间区，交联点间的分子链长度的分子

3、链长度80100nm)，橡胶中分子或橡胶中分子或链段未被炭黑链段未被炭黑吸附，能进行吸附，能进行分子热运动，分子热运动，接近生胶的状接近生胶的状态，主要态，主要(zhyo)提供提供橡胶的高弹性橡胶的高弹性能。能。炭黑填充的硫化炭黑填充的硫化(lihu)胶的结合胶模型胶的结合胶模型A相相进行微布朗运动的橡胶分子链；进行微布朗运动的橡胶分子链；B相相交联团相；交联团相；C相相被填料束缚的橡胶相被填料束缚的橡胶相第3页/共13页第三页，共13页。B相（橡胶的交联相（橡胶的交联区），因交联，分区），因交联，分子运动受束缚，但子运动受束缚，但比比C相活动能力强相活动能力强。能提高橡胶的高。能提高橡胶的高

4、弹性和强度。作用弹性和强度。作用(zuyng)大小取大小取决于决于B相在硫化胶相在硫化胶中的分布状态，中的分布状态，B相的直径大小、两相的直径大小、两相邻相邻B相之间的距相之间的距离以及交联键的类离以及交联键的类型、密度和分布的型、密度和分布的均匀性。均匀性。炭黑填充的硫化胶的结合胶模型炭黑填充的硫化胶的结合胶模型A相相进行微布朗运动的橡胶进行微布朗运动的橡胶(xingjio)分子链；分子链；B相相交联团相；交联团相；C相相被填料束缚的橡胶被填料束缚的橡胶(xingjio)相相第4页/共13页第四页，共13页。C相（结合橡胶相（结合橡胶区），橡胶分子区），橡胶分子在炭黑粒子周围在炭黑粒子周围形

5、成的稠密集合形成的稠密集合、定向排列、相、定向排列、相互交错的非运动互交错的非运动性结合橡胶层。性结合橡胶层。C相结构相结构(jigu)对弹性无贡献，对弹性无贡献，但对强度和耐久但对强度和耐久性能有极大的补性能有极大的补强作用。强作用。炭黑炭黑(tn hi)填充的硫化胶的结合胶模型填充的硫化胶的结合胶模型A相相进行微布朗运动的橡胶分子链；进行微布朗运动的橡胶分子链；B相相交联团相；交联团相；C相相被填料束缚的橡胶相被填料束缚的橡胶相第5页/共13页第五页，共13页。物理吸附物理吸附当炭黑和橡胶当炭黑和橡胶(xingjio)分子分子在湿润温度以上在湿润温度以上混炼时，橡胶混炼时，橡胶(xingj

6、io)分子分子链可以进行较强链可以进行较强的分子热运动，的分子热运动，进入炭黑粒子的进入炭黑粒子的吸引力界限以内吸引力界限以内，并被炭黑粒子，并被炭黑粒子表面吸附取向。表面吸附取向。此状态为橡胶此状态为橡胶(xingjio)对炭对炭黑的浸润状态。黑的浸润状态。若温度低于流动若温度低于流动温度，分子链运温度，分子链运动能力弱，不能动能力弱，不能进入炭黑吸引范进入炭黑吸引范内，则补强效果内，则补强效果不理想。不理想。措施措施提高填料提高填料粒子的分粒子的分散度（降散度（降低炭黑低炭黑(tn hi)等填料的等填料的粒径）和粒径）和采用表面采用表面活性剂以活性剂以提高填料提高填料粒子对橡粒子对橡胶的浸

7、润胶的浸润性，有助性，有助于补强效于补强效果。果。 C相中相中(xin zhn)有物理吸附有物理吸附和化学结合和化学结合第6页/共13页第六页，共13页。化学结合化学结合 在混炼时橡胶分子断裂成自在混炼时橡胶分子断裂成自由基，与炭黑由基，与炭黑(tn hi)表面的活表面的活性中心发生结合作用，或炭黑性中心发生结合作用，或炭黑(tn hi)表面含氧基团和自由基表面含氧基团和自由基在硫化时与橡胶分子发生交联作在硫化时与橡胶分子发生交联作用形成化学结合。用形成化学结合。第7页/共13页第七页，共13页。 综上，炭黑综上，炭黑(tn hi)补强作用主要是，炭黑补强作用主要是，炭黑(tn hi)的加入改

8、变了橡胶的结构，产生了的加入改变了橡胶的结构，产生了C相结构。在硫化胶中相结构。在硫化胶中，若炭黑，若炭黑(tn hi)得到较好的分散，并且每个炭黑得到较好的分散，并且每个炭黑(tn hi)粒子表面都形成粒子表面都形成C相结构，相结构， C相起着骨架作用联结相起着骨架作用联结A相相和和B相。构成一个橡胶大分子与填料整体网络，改变了硫相。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。化胶的结构，因而提高了硫化胶的物理机械性能。第8页/共13页第八页，共13页。第9页/共13页第九页，共13页。第10页/共13页第十页，共13页。(1)(1)表示胶料原始状态

9、，长短不等的橡胶分子链被吸附表示胶料原始状态，长短不等的橡胶分子链被吸附(xf)(xf)在炭黑粒子表面上。在炭黑粒子表面上。 (2)(2)当伸长时，这条最短的链不是断裂而是沿炭黑表面滑动当伸长时，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，原始状态吸附的长度用点标出，可看出滑移的长度。这时应力由多数时应力由多数(dush)(dush)伸直的链承担，起应力均匀作用，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。缓解应力集中为补强的第一个重要因素。 (3)(3)当伸长再增大当伸长再增大(zn d)(zn d)，链再滑动，使橡胶链高度

10、取向，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。，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。功，化为热量，使橡胶不受破坏，为补强的第三个因素。 第11页/共13页第十一页，共13页。(5)在适宜的情况在适宜的情况(加膨胀加膨胀)下，经过长时间，由于橡胶链的热下，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分布，胶料又恢复至接近于原始状态(zhungti)。但是如果。但是如果初次伸长的变形量大、恢复常不超过初次伸长的变形量大、恢复常不超过50。 (4)(4)是收缩后胶料的状况，表明再伸长时的应是收缩后胶料的状况，表明再伸长时的应力软化效应，胶料回