硫化過程中填充橡膠粘彈特性研究.pdf

1、硫化是橡膠制品重要加工過程之一。生橡膠混入填料后經(jīng)過硫化過程使其分子鏈由長鏈線型結(jié)構(gòu)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進而完成粘彈流體向粘彈固體橡膠的轉(zhuǎn)變。硫化過程中溫度歷程、變形和交聯(lián)程度對填充橡膠材料微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律非常復雜，且具有機械力場、熱場和化學反應(yīng)場耦合作用的特點，因此對填充橡膠材料在硫化過程中的力學問題進行研究具有十分重要的理論和應(yīng)用價值。本文從研究填充橡膠材料微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出發(fā)，以分子鏈纏結(jié)、交聯(lián)和填料網(wǎng)絡(luò)為橋梁，提出了填充橡膠材料的交

2、聯(lián)-纏結(jié)-填料共同作用的三網(wǎng)絡(luò)模型，建立了硫化過程中填充橡膠本構(gòu)關(guān)系，利用該本構(gòu)關(guān)系建立了非均勻硫化對輪胎宏觀性能影響的分析方法，為橡膠材料配方設(shè)計、硫化工藝制定及其優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。本文的主要工作包括以下內(nèi)容：
　　首先，以填充橡膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時考慮纏結(jié)點以及填料導致的類纏結(jié)點對交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的修正效應(yīng)，進而提出了三類網(wǎng)絡(luò)共同作用的新微觀結(jié)構(gòu)。通過引入單位體積內(nèi)的有效分子鏈摩爾數(shù)、作用點間的分子鏈長度及微觀伸長率，建立

3、了填充橡膠的交聯(lián)-纏結(jié)-填料三網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)物理描述體系，同時考慮了填料加入導致的應(yīng)變放大效應(yīng)。利用勢壘的概念和瞬時網(wǎng)絡(luò)理論解釋了該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在溫度和變形作用下解纏和重纏結(jié)的原因和規(guī)律，并建立了該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參量隨溫度、變形變化的關(guān)系模型。填充橡膠的三網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠反映硫化前后填充橡膠的微觀結(jié)構(gòu)變化，同時從微觀機理上反映了硫化前后填充橡膠應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的異同。
　　在上述分析的基礎(chǔ)上，進一步考慮硫化過程中溫度變化歷程對該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響，利用乘法分

4、解法將變形梯度分解為溫度產(chǎn)生形變、平衡彈性形變和非平衡彈性形變，進而求得填充橡膠的總應(yīng)力。分別建立交聯(lián)點、纏結(jié)點、類纏結(jié)點隨反應(yīng)進程的變化關(guān)系，考慮了交聯(lián)反應(yīng)對該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中各部分的影響規(guī)律，建立了綜合考慮溫度、載荷以及交聯(lián)反應(yīng)的影響的填充橡膠粘彈性本構(gòu)關(guān)系。該本構(gòu)關(guān)系既能準確描述填充橡膠材料兩類典型的應(yīng)力軟化現(xiàn)象(Mullins效應(yīng)和Payne效應(yīng))，又能揭示這兩類實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的微觀機理。
　　為了確定硫化過程中填充橡膠本構(gòu)關(guān)系中

5、重要變量——反應(yīng)進程隨溫度和時間的變化關(guān)系，以二氧化硅填充天然橡膠為研究對象，利用等轉(zhuǎn)化率法和非線性擬合法去除了硫化動力學參數(shù)的相互補償關(guān)系，確定了硫化狀態(tài)方程及其相關(guān)參數(shù)。采用差示掃描量熱法和無轉(zhuǎn)子硫化儀法對二氧化硅填充的天然橡膠的非等溫和等溫硫化特性進行實驗研究，獲得了反應(yīng)速率隨升溫速率、溫度變化的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用等轉(zhuǎn)化率方法分析了兩種測試方法下的二氧化硅填充的天然橡膠的反應(yīng)機理，確定了振蕩變形對中后期的反應(yīng)存在影響。
　　結(jié)合

6、二氧化硅填充天然橡膠的硫化狀態(tài)方程，建立了硫化過程中填充橡膠動態(tài)模量的測試方法，開展了兩類硫化過程中粘彈性能的試驗研究。開展了不同恒定應(yīng)變幅值下填充橡膠的粘彈特性隨硫化時間的測試，獲得了填充橡膠的動態(tài)模量隨硫化狀態(tài)的變化規(guī)律。采用快速冷卻方法制備了不同硫化狀態(tài)的橡膠試樣，并進行應(yīng)變掃描測試，獲得了硫化過程中填充橡膠Payne效應(yīng)的演化規(guī)律。采用本文構(gòu)建的硫化過程中填充橡膠粘彈性本構(gòu)關(guān)系對上述兩類實驗進行描述，模型預測結(jié)果與實驗吻合，獲得