硫化過(guò)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(guò)程之一。生橡膠混入填料后經(jīng)過(guò)硫化過(guò)程使其分子鏈由長(zhǎng)鏈線型結(jié)構(gòu)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而完成粘彈流體向粘彈固體橡膠的轉(zhuǎn)變。硫化過(guò)程中溫度歷程、變形和交聯(lián)程度對(duì)填充橡膠材料微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律非常復(fù)雜，且具有機(jī)械力場(chǎng)、熱場(chǎng)和化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)耦合作用的特點(diǎn)，因此對(duì)填充橡膠材料在硫化過(guò)程中的力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究具有十分重要的理論和應(yīng)用價(jià)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(guò)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(duì)輪胎宏觀性能影響的分析方法，為橡膠材料配方設(shè)計(jì)、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(shí)考慮纏結(jié)點(diǎn)以及填料導(dǎo)致的類(lèi)纏結(jié)點(diǎn)對(duì)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的修正效應(yīng)，進(jìn)而提出了三類(lèi)網(wǎng)絡(luò)共同作用的新微觀結(jié)構(gòu)。通過(guò)引入單位體積內(nèi)的有效分子鏈摩爾數(shù)、作用點(diǎn)間的分子鏈長(zhǎng)度及微觀伸長(zhǎng)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(shí)考慮了填料加入導(dǎo)致的應(yīng)變放大效應(yīng)。利用勢(shì)壘的概念和瞬時(shí)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(shí)從微觀機(jī)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(jìn)一步考慮硫化過(guò)程中溫度變化歷程對(duì)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(jìn)而求得填充橡膠的總應(yīng)力。分別建立交聯(lián)點(diǎn)、纏結(jié)點(diǎn)、類(lèi)纏結(jié)點(diǎn)隨反應(yīng)進(jìn)程的變化關(guān)系，考慮了交聯(lián)反應(yīng)對(duì)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(zhǔn)確描述填充橡膠材料兩類(lèi)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(lèi)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的微觀機(jī)理。
　　為了確定硫化過(guò)程中填充橡膠本構(gòu)關(guān)系中

5、重要變量——反應(yīng)進(jìn)程隨溫度和時(shí)間的變化關(guān)系，以二氧化硅填充天然橡膠為研究對(duì)象，利用等轉(zhuǎn)化率法和非線性擬合法去除了硫化動(dòng)力學(xué)參數(shù)的相互補(bǔ)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(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀法對(duì)二氧化硅填充的天然橡膠的非等溫和等溫硫化特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(cè)試方法下的二氧化硅填充的天然橡膠的反應(yīng)機(jī)理，確定了振蕩變形對(duì)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(guò)程中填充橡膠動(dòng)態(tài)模量的測(cè)試方法，開(kāi)展了兩類(lèi)硫化過(guò)程中粘彈性能的試驗(yàn)研究。開(kāi)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(shí)間的測(cè)試，獲得了填充橡膠的動(dòng)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(jìn)行應(yīng)變掃描測(cè)試，獲得了硫化過(guò)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(guò)程中填充橡膠粘彈性本構(gòu)關(guān)系對(duì)上述兩類(lèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行描述，模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合，獲得