关于橡胶撕裂分析清单

引言

橡胶撕裂定义：

撕裂：是橡胶等弹性体材料中的裂纹，由于受力而导致裂纹扩大的现象。过程中会伴有大的弹性形变。

撕裂强度：表征材料抵抗撕裂的能力，用撕裂能Gc表示。其物理意义为单位面积材料撕裂所消耗能量。

说明：1.Thomas提出定量关系式，Gc与裂纹的尖锐度有关。2.试验证明Ub几乎不受外界影响，Gc在一定范围内，也可视为常数。3.关系式说明裂纹生长过程实质是裂纹变钝过程。

能量密度Ub一般可视为常数，不受外界条件影响。d--裂纹尖端直径,表征裂纹锐度。

定量关系式：Gc=Ub*d

1、弹性体材料受力一定程度后，弹性失效而材料遭到破坏。

Lake和Lindley对此现象做出以下解释：（能量方面）

弹性体撕裂生长过程中，弹性体材料具有一个最小撕裂能T0，低于T0，材料不会发生撕裂。弹性体撕裂包括下列3个阶段：1.材料发生形变，储存形变能至T0，此时能量得以释放，裂纹增长且表面粗糙；2.持续周期进行，裂纹逐渐增大；3.裂纹切口足够大，形变能达到Tc.裂纹生长既快且光滑。

2、撕裂的分类：

（1）按照撕裂生长决定因素分类：

a.由外界施加的拉伸或撕裂速度决定裂纹的生长速度的撕裂---撕裂降低内应力，使内外应力趋于平衡。

b.裂纹在受力下，自发进行生长的撕裂---结构中应力达到某承受临界点自发断裂生长。按此方法，撕裂试样分为以下两类： a类试样：（沿切口方向进行撕裂，外力作用于部分试样）；b类试样:（切口与拉伸方向垂直，外部应力作用于整个试样）。

按撕裂方式的不同可以分为：1.直接撕裂；2.垂直撕裂；3.角度撕裂（取决于合应力）。

3、影响材料撕裂强度的因素有很多。总体来说与材料本身结构、材料形状及外部作用条件有关。

（1）结构有关的因素有：

A、 材料本身特性

材料不同，撕裂强度不同。尤其是橡胶在受力过程中表现不同的结晶性、取向性及流动性的不同而造成撕裂强度的不同。

一般结晶性橡胶＞非结晶性橡胶；受力取向会增加垂直取向方向的撕裂强度，而平行方向的撕裂强度会减弱；流动性会削弱应力集中（应力松弛），使得与其他部位的应力趋于平衡。平均撕裂强度得以增加。

B、交联密度

材料的撕裂能Gc∝Mc^0.5(阿克隆大学，A.N.Gent等试验推导)如表1所示。随着过氧化物硫化剂的增加，交联密度增加，但撕裂能逐渐降低。（撕裂过程伴随着拉伸形变，交联密度增加，其拉伸伸长率降低，在撕裂前，拉伸变形所需的能量降低，故平均撕裂能降低）。

C、硫化时间

撕裂强度随硫化时间的不同而变化，一般先增加后降低，也存在其他情况，随配方体系的不同而不同。 

硫化是橡胶分子链交联形成网络大分子结构的过程。撕裂强度开始是随硫化时间的增加而增加的。当发生“过硫”时，撕裂强度降低是由于橡胶网络结构重整排列。其与Mc与撕裂强度的关系并不相悖。

Mc的影响是硫化结构稳定后，降低Mc,撕裂强度会降低。而硫化过程是网络结构的形成，降低分子间的粘性力，增加化学键。

D、硫化体系

硫化体系不同，对产品的疲劳撕裂/老化撕裂（FCG）影响很大。包括硫化体系（普通硫化体系、半有效硫化体系、有效硫化体系）。

E、补强体系

研究表明添加特定填料可增强撕裂强度。撕裂强度一般随填充比例的增加而增加，但填充比例有上限限制，随配方组分不同而不同。

炭黑结构分为两种：

①不能形成次链结构的炭黑；

②炭黑粒子间具有成键倾向，炭黑粒子易衍生小链结构，相互连接形成次键结构。

结构属于①的炭黑有：炉法炭黑、油炉法炭黑、热裂解炭黑；

属于②结构的炭黑有：槽法炭黑、粗蒽炭黑、乙炔炭黑。

而次键结构对撕裂有遏制作用（Dogadkin提出活性炭增加抗撕裂性的假设），即当补强材料被拉伸时，炭黑短链取向垂直于撕裂方向。而由于炭黑短链的键合能很高，当撕裂到达短链时，撕裂生长就会改变方向而使抗撕裂增强。

故只有当增加结构②的比例时，才能增加材料的撕裂强度；同样试验证明在第②种补强的材料中，降低温度会进一步增加材料的抗撕裂性能。

F、物料的均一性

一般橡胶混合物越均一，其相对抗撕裂性越好。因为撕裂生长有趋弱倾向。目前为追求均一性，发展了很多技术。例如：动态硫化、加第三兼容性物质等。

G、裂纹尖锐程度/粗糙度

裂纹相对尖锐程度越大，应力越集中，裂纹生长越容易发生。而撕裂增长是让裂纹变钝的过程。

H、试样本身

其撕裂强度与试样的宽度、试样厚度及切口相对深度有关；也与其形状有关。

 4、提高撕裂的方法：

（1）混炼：通过优化混炼工艺，提高补强填料如炭黑等在橡胶中的分散可以提高胶料的抗撕裂性能。

（2）相混炼：NR/BR共混物通过相混炼技术，使BR相中炭黑含量增加，可以提高撕裂。

（3）交联密度：通过刘华过程优化胶料的最终交联密度，可以提高胶料的抗撕裂性能。

（4）硫磺硫化体系：硫磺硫化体系与过氧活化物硫化体系相比，一个明显的优势就是胶料的抗撕裂性能。

（5）在过氧化物体系中，使用助交联剂，可以提高共混物的抗撕裂性能。

（6）在抗硫化返原剂：在天然橡胶中加入抗硫化返原（HTS+BCI-MX)一起使用，可以提高胶料的抗撕裂性能。

（7）分子量的影响：使用平均分子量大的橡胶作为基础胶，可以提高胶料的抗撕裂性能。

（8）使用高顺式的BR，可以使胶料具有更高的抗撕裂性能。并且可能因应变诱导结晶而产生复杂的抗撕裂性能。

（9）在SBR中，提高苯乙烯的结合量，可以使胶料有更好的耐曲绕疲劳能力和抗撕裂性能。

（10）用有机硅烷处理的沉淀法白炭黑可以使胶料具有较好的抗撕裂性能。

（11）用细粒径的滑石粉替代部分的炭黑，可以提高胶料的抗撕裂性能和抗切口增长。（滑石粉各向异性所致）。

（12）添加易分散纤维状材料，可以增加抗撕裂性能。如针状钛酸钾纤维，用量5-10份。

5、举例：

芳纶短纤维在TBR中的应用：1000公里轮胎实验，添加PP/ODPTA纤维的轮胎表面光滑，但没有添加的轮胎表面蹦花严重。