Comparative study of stress relaxation phenomenological constitutive modeling of carbon black-reinforced natural rubber-based compounds

Estudio comparativo de modelos constitutivos fenomenológicos de compuestos de caucho natural reforzados con negro de humo sometidos a relajación de esfuerzos

The viscoelastic properties of rubber materials are caused by the combination of the dual response as an elastic solid and a viscous fluid. This behavior yields in time-dependent mechanical properties; thus, phenomena such as stress relaxation, creep, energy dissipation, hysteresis, and strain rate are observed. In this study, three different carbon black-reinforced natural rubber compounds were experimentally evaluated under stress relaxation and several linear phenomenological constitutive models were fitted to evaluate their viscoelastic parameters. It was observed that both the elastic and viscous parameters increase in a non-linear relation as the strain and carbon black content increase, and the viscous parameters were dependent on the configuration of the model. The Maxwell and Zener models exhibited fitting values of 76.08 and 95.10%, respectively, while the Wiechert model showed the best fitting values and can be adequately used to estimate the relaxation process of carbon black-reinforced natural rubber applications.

Las propiedades viscoelásticas del caucho son debidas a la combinación de la respuesta dual como un sólido elástico y un fluido viscoso. Este comportamiento produce propiedades mecánicas dependientes del tiempo; observando fenómenos como la relajación de esfuerzos, fluencia, disipación de energía, histéresis y tasa de deformación. En este estudio, se evaluaron experimentalmente tres compuestos diferentes de caucho natural reforzado con negro de humo sometidos a relajación de esfuerzos y se ajustaron varios modelos constitutivos fenomenológicos lineales para evaluar sus parámetros viscoelásticos. Se observó que tanto los parámetros elásticos como viscosos aumentan en una relación no lineal a medida que aumenta la deformación y el contenido de negro de humo, y los parámetros viscosos dependen de la configuración del modelo. Los modelos Maxwell y Zener exhibieron valores de ajuste de 76.08 y 95.10% respectivamente, mientras que el modelo de Wiechert mostró los mejores valores de ajuste y puede usarse adecuadamente para estimar el proceso de relajación de las aplicaciones de caucho natural reforzado con negro de humo.