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理论与研究 游琪 等·炭黑增强天然橡胶复合材料的性能

图 1 新型改性炭黑用量对 NR 复合材料拉断伸长率和
100% 定伸的影响
图 3 新型改性炭黑用量对天然橡胶复合材料裂口增长的
当炭黑用量超过一定值后，硫化胶的定伸应力继续 影响
增大，脆性变大，炭黑难以分散均匀，故撕裂强度
填充量下（＜ 35 份），未出现明显的 Payne 效应，在
下降。
小应变下，胶料的能模量基本不变，随着应变逐渐增
大缓慢下降。这是因为炭黑在小填充量下，只是简单
的填充，没有与橡胶构成填料 - 橡胶网络结构，填料
与填料之间的相互作用也很小，起作用的只是橡胶分
子链之间的网络结构。在研究范围内，当炭黑的用量
在 35 份以上时，储能模量在小应变时就有大幅度的提
高，出现了明显的 Payne 效应，随着应变的增加，储
能模量随着应变的增加衰减越快，说明体系中形成了
完善的网络结构，其中包括填料 - 填料网络，橡胶 -
填料网络结构和橡胶 - 橡胶相互作用网络。炭黑用量
在 35~50 份之间是填料网络刚开始形成的阶段，50
份之后是网络的完善阶段。炭黑用量在 35~50 份之间
图 2 新型改性炭黑用量对 NR 复合材料撕裂强度的影响
时应存在一网络形成的临界用量，炭黑开始出现增强
2.1.4 裂口增长速度 Payne 效应。
新型改性炭黑用量对天然橡胶耐裂口扩展性能的 2.2.2 N330 和 N550 对于 NR 复合材料的
影响图 3 所示。随着炭黑用量的增加，耐裂口扩展性 ΔG′ (G 0 ′-G ∞ ′)- 应变的关系
能呈现先减小后变好趋势，研究范围内炭黑用量为 60 炭 黑能 够 提 高橡 胶 的储 能 模 量，而 应 变 对于 储
份时，耐裂纹扩展性能较好，可能因为新型改性炭黑 能模量的影响是因为形成了填料网络，填料网络能
属于纳米材料，可以形成体积效应，与橡胶材料的自 够抵抗橡胶的抗压变形，进而提高动态模量。用 G 0 ′
由体积匹配好，阻碍裂纹扩展能力强，动态疲劳性能 表示低应变下模量，G ∞ ′ 表示高应变下的模量，则
好。 ΔG′(G 0 ′-G ∞ ′) 可以作为生成填料网络的一个参数 [11] ，
2.2 N330 和 N550 对于 NR 复合材料动态 ΔG′ 是橡胶中炭黑聚集体表面间靠范德华力由凝聚到
性能力学分析 解聚过程的弹性模量下降值，在低应变下这种凝聚存
2.2.1 N330 和 N550 对于 NR 复合材料储 在，没有解聚，所以提供了较大的抵抗变形（流动）
能模量 - 应变的关系 的能力，G 0 ′ 较高，在高形变下，这种凝聚被破坏所以
图 4a、b 分别是 N330、N550 不同用量对天然橡 G ∞ ′ 较低。ΔG′ 反映了体积球之间相互作用形成网络
胶的储能模量和应变的关系。从图中可以看出，在小 的能力。

年
2017 第 43 卷 ·7·