热氧老化对炭黑填充橡胶拉伸力学性能的影响

摘要

橡胶属于黏超弹性复合材料，具有优良的弹性和柔软度，因而广泛应用于工业生产、生活中。但天然橡胶(NR)本身的强度并不高，因此并不能够完全满足工业需求，经过炭黑填充NR橡胶的性能得到改良，强度增加，交联密度增大。纵然炭黑改良橡胶的性能优良，但是仍然无法完全避免外界环境的作用，例如炭黑填充 NR橡胶在使用、运输、存储的过程中容易受到光、氧、热的影响，这些因素的综合作用会导致橡胶的老化。老化不仅导致橡胶的外观发生改变，也会致使材料的内部交联结构发生断裂和重组，客观的力学性能也发生相应的变化。本文将炭黑填充橡胶在不同温度下进行不同时长的热氧老化，并对老化后的试样进行交联密度和力学性能测试，研究热氧老化对材料微观交联程度和宏观拉伸力学性能的影响。
　　本研究主要内容包括：⑴对经历不同热氧老化历史的炭黑填充NR硫化胶，采用平衡溶胀法测量其交联密度。通过分析炭黑填充NR橡胶老化前后交联密度的变化来衡量橡胶的老化程度。结果表明：随着老化时间以及老化温度的增加，材料的交联密度增大。此外，相同老化条件下的橡胶材料，其交联密度随着炭黑份量的增加也有所增大。⑵采用Instron5943单立柱材料试验机对经历不同老化历史的橡胶试样进行单轴拉伸和撕裂试验。从拉伸应力-应变曲线中获知材料的初始弹性模量、拉伸强度和断裂拉伸力学性能。结果表明：随着老化时间以及老化温度的增加，填充橡胶的拉伸强度和断裂拉伸比逐渐减小，但其初始弹性模量逐渐增大。撕裂测试表明：随着老化时间的增加，撕裂强度逐渐降低。⑶建立了热氧老化炭黑填充橡胶交联密度与拉伸力学性能之间的关系。测试结果表明，随着橡胶交联密度的增加，材料的拉伸强度和断裂拉伸比逐渐减小；橡胶弹性理论与测试结果均表明，交联密度与初始弹性模量成线性关系。⑷讨论了Neo-Hooke模型和Mooney-Rivlin模型对热氧老化炭黑填充橡胶的适用性，经过分析拟合发现，就本论文试验材料而言，老化后的炭黑填充橡胶在中等变形下可采用Neo-Hooke模型来描述，但此时Mooney-Rivlin模型并不适用。

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第1章 绪论

1.1 前言

1.2 常用橡胶简介

1.3 橡胶老化研究进展

1.4 交联密度测定方法

1.5 基于应变不变量的唯象模型

1.6 主要研究内容

1.7 课题研究背景与意义

第2章 炭黑填充橡胶的老化试验及交联密度的测定

2.1 概述

2.2 老化试验

2.3 交联密度的测定

2.4 结果与讨论

第3章 热氧老化对炭黑填充橡胶力学行为的影响

3.1 概述

3.2 力学试验

3.3 结果与讨论

第4章 交联密度与拉伸力学性能之间的关系

4.1 概述

4.2 交联密度与拉伸强度和断裂拉伸比之间的关系

4.3 交联密度与初始弹性模量的关系

4.4 交联密度与撕裂性能之间的关系

第5章 热氧老化炭黑填充橡胶性能预测

5.1 概述

5.2 炭黑填充橡胶超弹性本构模型预测

5.3 老化性能及寿命预测

总结与展望

展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果