炭黑補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1炭黑炭黑(tn hi)補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理第一頁(yè)，共13頁(yè)。表面吸附表面吸附(xf)層理論層理論該理論認(rèn)為，炭黑與橡膠生成了微觀多相不均勻該理論認(rèn)為，炭黑與橡膠生成了微觀多相不均勻(jnyn)結(jié)構(gòu)，屬于一種復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理。結(jié)構(gòu)，屬于一種復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理。 核磁共振研究證實(shí)，在炭黑表面有一層由兩種運(yùn)動(dòng)核磁共振研究證實(shí)，在炭黑表面有一層由兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)橡膠大分子構(gòu)成的吸附層。在緊鄰著炭黑表面的大狀態(tài)橡膠大分子構(gòu)成的吸附層。在緊鄰著炭黑表面的大約約0.5nm（相當(dāng)于大分子直徑）的內(nèi)層，呈玻璃態(tài)；離（相當(dāng)于大分子直徑）的內(nèi)層，呈玻璃態(tài)；離開(kāi)炭黑表面大開(kāi)炭黑表面大0.55.0nm范圍內(nèi)的橡膠有點(diǎn)

2、運(yùn)動(dòng)性，呈范圍內(nèi)的橡膠有點(diǎn)運(yùn)動(dòng)性，呈亞玻璃態(tài)，這層叫外層。這兩層構(gòu)成了炭黑表面上的雙亞玻璃態(tài)，這層叫外層。這兩層構(gòu)成了炭黑表面上的雙殼層。雙殼層的厚度殼層。雙殼層的厚度e基本上是上述基本上是上述(shngsh)范圍范圍 ，這個(gè)雙殼的界面層內(nèi)中的結(jié)合能必定從里向外連續(xù)下，這個(gè)雙殼的界面層內(nèi)中的結(jié)合能必定從里向外連續(xù)下降，即炭黑表面對(duì)大分子運(yùn)動(dòng)性的束縛不斷下降，最后降，即炭黑表面對(duì)大分子運(yùn)動(dòng)性的束縛不斷下降，最后到橡膠分子不受束縛的自由狀態(tài)。到橡膠分子不受束縛的自由狀態(tài)。 第2頁(yè)/共13頁(yè)第二頁(yè)，共13頁(yè)。A相（未交聯(lián)或相（未交聯(lián)或交聯(lián)少的橡膠交聯(lián)少的橡膠區(qū)，交聯(lián)點(diǎn)間區(qū)，交聯(lián)點(diǎn)間的分子鏈長(zhǎng)度的分子

3、鏈長(zhǎng)度80100nm)，橡膠中分子或橡膠中分子或鏈段未被炭黑鏈段未被炭黑吸附，能進(jìn)行吸附，能進(jìn)行分子熱運(yùn)動(dòng)，分子熱運(yùn)動(dòng)，接近生膠的狀接近生膠的狀態(tài)，主要態(tài)，主要(zhyo)提供提供橡膠的高彈性橡膠的高彈性能。能。炭黑填充的硫化炭黑填充的硫化(lihu)膠的結(jié)合膠模型膠的結(jié)合膠模型A相相進(jìn)行微布朗運(yùn)動(dòng)的橡膠分子鏈；進(jìn)行微布朗運(yùn)動(dòng)的橡膠分子鏈；B相相交聯(lián)團(tuán)相；交聯(lián)團(tuán)相；C相相被填料束縛的橡膠相被填料束縛的橡膠相第3頁(yè)/共13頁(yè)第三頁(yè)，共13頁(yè)。B相（橡膠的交聯(lián)相（橡膠的交聯(lián)區(qū)），因交聯(lián)，分區(qū)），因交聯(lián)，分子運(yùn)動(dòng)受束縛，但子運(yùn)動(dòng)受束縛，但比比C相活動(dòng)能力強(qiáng)相活動(dòng)能力強(qiáng)。能提高橡膠的高。能提高橡膠的高

4、彈性和強(qiáng)度。作用彈性和強(qiáng)度。作用(zuyng)大小取大小取決于決于B相在硫化膠相在硫化膠中的分布狀態(tài)，中的分布狀態(tài)，B相的直徑大小、兩相的直徑大小、兩相鄰相鄰B相之間的距相之間的距離以及交聯(lián)鍵的類(lèi)離以及交聯(lián)鍵的類(lèi)型、密度和分布的型、密度和分布的均勻性。均勻性。炭黑填充的硫化膠的結(jié)合膠模型炭黑填充的硫化膠的結(jié)合膠模型A相相進(jìn)行微布朗運(yùn)動(dòng)的橡膠進(jìn)行微布朗運(yùn)動(dòng)的橡膠(xingjio)分子鏈；分子鏈；B相相交聯(lián)團(tuán)相；交聯(lián)團(tuán)相；C相相被填料束縛的橡膠被填料束縛的橡膠(xingjio)相相第4頁(yè)/共13頁(yè)第四頁(yè)，共13頁(yè)。C相（結(jié)合橡膠相（結(jié)合橡膠區(qū)），橡膠分子區(qū)），橡膠分子在炭黑粒子周?chē)谔亢诹Ｗ又車(chē)?/p>

5、成的稠密集合形成的稠密集合、定向排列、相、定向排列、相互交錯(cuò)的非運(yùn)動(dòng)互交錯(cuò)的非運(yùn)動(dòng)性結(jié)合橡膠層。性結(jié)合橡膠層。C相結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)(jigu)對(duì)彈性無(wú)貢獻(xiàn)，對(duì)彈性無(wú)貢獻(xiàn)，但對(duì)強(qiáng)度和耐久但對(duì)強(qiáng)度和耐久性能有極大的補(bǔ)性能有極大的補(bǔ)強(qiáng)作用。強(qiáng)作用。炭黑炭黑(tn hi)填充的硫化膠的結(jié)合膠模型填充的硫化膠的結(jié)合膠模型A相相進(jìn)行微布朗運(yùn)動(dòng)的橡膠分子鏈；進(jìn)行微布朗運(yùn)動(dòng)的橡膠分子鏈；B相相交聯(lián)團(tuán)相；交聯(lián)團(tuán)相；C相相被填料束縛的橡膠相被填料束縛的橡膠相第5頁(yè)/共13頁(yè)第五頁(yè)，共13頁(yè)。物理吸附物理吸附當(dāng)炭黑和橡膠當(dāng)炭黑和橡膠(xingjio)分子分子在濕潤(rùn)溫度以上在濕潤(rùn)溫度以上混煉時(shí)，橡膠混煉時(shí)，橡膠(xingj

6、io)分子分子鏈可以進(jìn)行較強(qiáng)鏈可以進(jìn)行較強(qiáng)的分子熱運(yùn)動(dòng)，的分子熱運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入炭黑粒子的進(jìn)入炭黑粒子的吸引力界限以內(nèi)吸引力界限以內(nèi)，并被炭黑粒子，并被炭黑粒子表面吸附取向。表面吸附取向。此狀態(tài)為橡膠此狀態(tài)為橡膠(xingjio)對(duì)炭對(duì)炭黑的浸潤(rùn)狀態(tài)。黑的浸潤(rùn)狀態(tài)。若溫度低于流動(dòng)若溫度低于流動(dòng)溫度，分子鏈運(yùn)溫度，分子鏈運(yùn)動(dòng)能力弱，不能動(dòng)能力弱，不能進(jìn)入炭黑吸引范進(jìn)入炭黑吸引范內(nèi)，則補(bǔ)強(qiáng)效果內(nèi)，則補(bǔ)強(qiáng)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徑）和粒徑）和采用表面采用表面活性劑以活性劑以提高填料提高填料粒子對(duì)橡粒子對(duì)橡膠的浸

7、潤(rùn)膠的浸潤(rùn)性，有助性，有助于補(bǔ)強(qiáng)效于補(bǔ)強(qiáng)效果。果。 C相中相中(xin zhn)有物理吸附有物理吸附和化學(xué)結(jié)合和化學(xué)結(jié)合第6頁(yè)/共13頁(yè)第六頁(yè)，共13頁(yè)。化學(xué)結(jié)合化學(xué)結(jié)合 在混煉時(shí)橡膠分子斷裂成自在混煉時(shí)橡膠分子斷裂成自由基，與炭黑由基，與炭黑(tn hi)表面的活表面的活性中心發(fā)生結(jié)合作用，或炭黑性中心發(fā)生結(jié)合作用，或炭黑(tn hi)表面含氧基團(tuán)和自由基表面含氧基團(tuán)和自由基在硫化時(shí)與橡膠分子發(fā)生交聯(lián)作在硫化時(shí)與橡膠分子發(fā)生交聯(lián)作用形成化學(xué)結(jié)合。用形成化學(xué)結(jié)合。第7頁(yè)/共13頁(yè)第七頁(yè)，共13頁(yè)。 綜上，炭黑綜上，炭黑(tn hi)補(bǔ)強(qiáng)作用主要是，炭黑補(bǔ)強(qiáng)作用主要是，炭黑(tn hi)的加入改

8、變了橡膠的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了的加入改變了橡膠的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了C相結(jié)構(gòu)。在硫化膠中相結(jié)構(gòu)。在硫化膠中，若炭黑，若炭黑(tn hi)得到較好的分散，并且每個(gè)炭黑得到較好的分散，并且每個(gè)炭黑(tn hi)粒子表面都形成粒子表面都形成C相結(jié)構(gòu)，相結(jié)構(gòu)， C相起著骨架作用聯(lián)結(jié)相起著骨架作用聯(lián)結(jié)A相相和和B相。構(gòu)成一個(gè)橡膠大分子與填料整體網(wǎng)絡(luò)，改變了硫相。構(gòu)成一個(gè)橡膠大分子與填料整體網(wǎng)絡(luò)，改變了硫化膠的結(jié)構(gòu)，因而提高了硫化膠的物理機(jī)械性能?；z的結(jié)構(gòu)，因而提高了硫化膠的物理機(jī)械性能。第8頁(yè)/共13頁(yè)第八頁(yè)，共13頁(yè)。第9頁(yè)/共13頁(yè)第九頁(yè)，共13頁(yè)。第10頁(yè)/共13頁(yè)第十頁(yè)，共13頁(yè)。(1)(1)表示膠料原始狀態(tài)

9、，長(zhǎng)短不等的橡膠分子鏈被吸附表示膠料原始狀態(tài)，長(zhǎng)短不等的橡膠分子鏈被吸附(xf)(xf)在炭黑粒子表面上。在炭黑粒子表面上。 (2)(2)當(dāng)伸長(zhǎng)時(shí)，這條最短的鏈不是斷裂而是沿炭黑表面滑動(dòng)當(dāng)伸長(zhǎng)時(shí)，這條最短的鏈不是斷裂而是沿炭黑表面滑動(dòng)，原始狀態(tài)吸附的長(zhǎng)度用點(diǎn)標(biāo)出，可看出滑移的長(zhǎng)度。這，原始狀態(tài)吸附的長(zhǎng)度用點(diǎn)標(biāo)出，可看出滑移的長(zhǎng)度。這時(shí)應(yīng)力由多數(shù)時(shí)應(yīng)力由多數(shù)(dush)(dush)伸直的鏈承擔(dān)，起應(yīng)力均勻作用，伸直的鏈承擔(dān)，起應(yīng)力均勻作用，緩解應(yīng)力集中為補(bǔ)強(qiáng)的第一個(gè)重要因素。緩解應(yīng)力集中為補(bǔ)強(qiáng)的第一個(gè)重要因素。 (3)(3)當(dāng)伸長(zhǎng)再增大當(dāng)伸長(zhǎng)再增大(zn d)(zn d)，鏈再滑動(dòng)，使橡膠鏈高度

10、取向，鏈再滑動(dòng)，使橡膠鏈高度取向，承擔(dān)大的應(yīng)力，有高的模量，為補(bǔ)強(qiáng)的第二個(gè)重要因素。，承擔(dān)大的應(yīng)力，有高的模量，為補(bǔ)強(qiáng)的第二個(gè)重要因素。由于滑動(dòng)的摩擦使膠料有滯后損耗。損耗會(huì)消去一部分外力由于滑動(dòng)的摩擦使膠料有滯后損耗。損耗會(huì)消去一部分外力功，化為熱量，使橡膠不受破壞，為補(bǔ)強(qiáng)的第三個(gè)因素。功，化為熱量，使橡膠不受破壞，為補(bǔ)強(qiáng)的第三個(gè)因素。 第11頁(yè)/共13頁(yè)第十一頁(yè)，共13頁(yè)。(5)在適宜的情況在適宜的情況(加膨脹加膨脹)下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，由于橡膠鏈的熱下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，由于橡膠鏈的熱運(yùn)動(dòng)，吸附與解吸附的動(dòng)態(tài)平衡，粒子間分子鏈長(zhǎng)度的重新運(yùn)動(dòng)，吸附與解吸附的動(dòng)態(tài)平衡，粒子間分子鏈長(zhǎng)度的重新分布，膠料又恢復(fù)至接近于原始狀態(tài)分布，膠料又恢復(fù)至接近于原始狀態(tài)(zhungti)。但是如果。但是如果初次伸長(zhǎng)的變形量大、恢復(fù)常不超過(guò)初次伸長(zhǎng)的變形量大、恢復(fù)常不超過(guò)50。 (4)(4)是收縮后膠料的狀況，表明再伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)是收縮后膠料的狀況，表明再伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力軟化效應(yīng)，膠料回