Physical Ageing of Carbon Black Filled Rubber

Abstract

Fyllda gummimaterial används i en mängd olika applikationer, från daglig användning som gummihandskar, klister eller golfbollar till högpresterande applikationer i formel 1-däck och o-ringar i oljeriggar och i rymdskeppstätningar. På grund av deras utbredda användning har mycket ansträngning lagts på analysen av de olika faktorerna som påverkar deras mekaniska egenskaper för att få en exakt förutsägelse av deras prestanda och livslängd. Temperaturen är en av huvudvariablerna som påverkar egenskaperna hos gummimaterial som uppvisar spröda och styva beteenden vid låga temperaturer samt blir mjuka och sega med stigande temperatur. 

Fysiskt åldrande är en jämviktsprocess som äger rum efter en temperaturförändring när materialets egenskaper behöver ytterligare tid för att skifta från sitt initiala tillstånd till sitt sluttillstånd vid den nya temperaturen. Tidigare litteratur indikerar att den fysiska åldringsprocessen endast sker vid temperaturer under glasövergångstemperaturen. Men nyligen gjorda experiment antyder att den fysiska åldringsprocessen äger rum även vid rumstemperatur för fyllda gummin. Detta är ett viktigt resultat eftersom de befintliga fysiska åldringsmodellerna inte längre kan användas för att beskriva beteendet hos fyllt gummi, en av de mest använda produkterna vid tekniska tillämpningar. 

För att karakterisera den fysiska åldringsprocessen för fyllda gummin vid rumstemperatur har denna forskning följt två steg. 

Först genomfördes experiment för att karakterisera hur den fysiska åldringsprocessen påverkar de mekaniska egenskaperna genom att utsätta en uppsättning kimröksfyllda prover för en temperaturförändring vid rumstemperatur. Därefter övervakades deras mekaniska egenskaper, vilket visade att det behövdes upp till fyra dagar för att nå jämvikt vid den slutliga temperaturen. Dessa resultat bekräftar förekomsten av fysisk åldring vid rumstemperatur för fyllt gummi och kastar nytt ljus över dess effekt på de viskoelastiska egenskaperna över tiden. 

Det andra steget fokuserade på utvecklingen av en modell som kan fånga de olika fysiska åldringsprocesserna som äger rum för fyllt gummi. Två bidrag ansågs spegla effekten av fysisk åldring på de mekaniska egenskaperna, den fria volymen och konfigurationsförändringarna. Utvecklingen av den fria volymen modellerades genom att uppdatera Kari-modellen med en ytterligare γ-parameter, för att fånga de längre fysiska åldringstider som krävs för att nå jämvikt för fyllt gummi. Konfigurationsförändringarna introducerades i modellen via parametern α, som passade lagrings- och förlustmodulens utveckling som uppmätts experimentellt. 

Detta forskningsarbete ger en bättre förståelse för den fysiska åldringsprocessen och dess effekt på de mekaniska egenskaperna hos kimröksfyllt gummi. De experimentella fynden tillsammans med den föreslagna fysiska åldringsmodellen bidrar till en bättre förutsägelse av materialets mekaniska egenskaper, vilket potentiellt leder till en mer exakt förutsägelse av deras livslängd och en minskning av gummiavfall och materialförbrukning.

Link to DiVA