炭黑(Carbon black)是橡胶工业中应用最广泛的一种补强性填料,填充炭黑可以显著改善实用弹性体如轮胎、传送带等的力学性能和加工性能。通常,填充橡胶复合材料中补强剂炭黑的体积分数(φ)高达20%以上,炭黑与橡胶基体之间通过粒子-粒子(P-P),粒子-橡胶(P-R)等相互作用形成高度结构化的三维黏弹性材料,是一种典型的高填充复杂体系。填充橡胶体系具有明显的非线性响应(如Payne效应),在周期性变形条件下产生明显的滞后损失,导致轮胎滚动阻力增加,燃油效率降低。因此,深入探讨填充橡胶非线性黏弹响应机理有助于降低汽车的燃油消耗,并提供与补强机理有关的微结构信息,具有重要的社会经济性与理论研究价值。在高填充CB/NR体系中,贯穿橡胶基体的炭黑凝胶网络(CBG network)被认为在补强与非线性黏弹响应中占据主导地位。鉴于此,本文从CBG的制备与表征出发,通过长时抽提实验获得了本体CBG样品,并通过微观形貌观察、动态流变、热分析等方式研究了高填充CB/NR混炼胶及对应炭黑凝胶的结构、组成与线性黏弹性。研究表明,从不同高填充混炼胶(φ>15%)抽提得到的CBG具有相同的组成、微结构与线性黏弹响应特征,CBG中包含40 wt%的不可抽提橡胶,这部分橡胶中约12%处于玻璃态。大幅振荡剪切(LAOS)测试结果表明,CBG是处于Jamming态的软瑰璃材料,LAOS响应表现为弱的应变过冲行为,其Payne效应的发生与体系的Jamming-Dejamming转变过程有关,这一过程由应变控制,无频率及温度依赖性,转变的发生来源于应变诱导的炭黑聚集体的涨落、迁移和重排。通过未填充塑炼胶、炭黑凝胶及高填充混炼胶三者LAOS测试结果的比较可知,高填充混炼胶的Payne效应来源于CBG网络的破坏与基体网络解缠结的协同作用,后者具有明显的频率依赖性。另外,基体缠结延迟了Payne效应的发生,并减弱了Payne效应幅度,导致高填充混炼胶临界应变幅度γc与G’(γ)及G"(γ)的降幅远低于本体CBG。模量回复动力学、触变性与非线性应力松弛的结果表明,剪切诱导的Payne效应具有明显的时间依赖性,应变卸载后模量逐渐回复,反映结构的重建过程。CBG网络可促进结构的快速回复,相比之下,基体橡胶发生解缠结后对结构重建具有抑制作用。