Physics and Engineering of Reinforced Elastomers

05/2005 Mai

From Molecular Mechanisms to Industrial Applications

The paper focuses on various mechanisms of rubber reinforcement by active
fillers and relates it to the specific properties of high performance elastomer
goods. In particular, an analysis of filler flocculation and clustering on nanoscopic and mesoscopic length scales is presented. It demonstrates how the use of fractal geometry gives some quantitative insight into the morphology of filler networks. Based on this analysis, a scaling approach for the variation of the small strain modulus with filler concentration is described and a recently developed micro-mechanical material model of stress softening and filler induced hysteresis of reinforced rubbers, considering the breakdown and reaggregation of filler clusters, is briefly reviewed. Simulations obtained with the model show fair agreement with experimental stressstrain data. Finally, some basic results for crack propagation in non-linear, filled elastomer materials are presented.

Physik und Technologie verstärkter Elastomere: Von molekularen Mechanismen zu industriellen Anwendungen
Die Arbeit beschreibt unterschiedliche Mechanismen der Verstärkung von Gummi durch aktive Füllstoffe und zeigt Verbindungen zu den spezifischen Gebrauchseigenschaften von Hochleistungselastomeren auf. Zunächst wird eine Analyse der Flockulation von Füllstoffpartikeln und die
Clusterbildung auf nanoskopischen und mesoskopischen Längenskalen
vorgestellt. Darauf aufbauend wird ein Skalierungskonzept zur Variation
des Elastizitätsmoduls mit der Füllerkonzentration abgeleitet und ein vor
kurzem entwickeltes mikromechanisches Materialmodell zur Spannungserweichung und füllstoffinduzierten Hysterese verstärkter Elastomere, das den Bruch und die Reaggregation von Füllerclustern beschreibt, wird kurz vorgestellt. Ein Vergleich des Modells mit experimentellen Spannungs-Dehnungsdaten zeigt gute Übereinstimmung.
Abschließend werden grundlegende Konzepte zur Rissfortpflanzung in nicht linearen, gefüllten Elastomeren aufgezeigt.