Reinforcement of rubber by fractal aggregates

(Received 5 October 1992, accepted 24 November 1992)

Abstract
Rubber is commonly reinforced with colloidal aggregates of carbon or silica, whose structure has the scale invariance of a fractal object. Reinforced rubbers support large stresses, which often grow faster than linearly with the strain. We argue that under strong elongation the stress arises through lateral compression of the aggregates, driven by the large bulk modulus of the rubber. We derive a power-law relationship between stress and elongation when . The predicted power p depends on the fractal dimension D and a second structural scaling exponent C. For diffusion-controlled aggregates this power p should lie beween 0.9 and 1.1 ; for reaction-controlled aggregates p should lie between 1.8 and 2.4. For uniaxial compression the analogous powers lie near 4. Practical rubbers filled with fractal aggregates should approach the conditions of validity for these scaling laws.

Résumé
On renforce souvent le caoutchouc avec des agrégats de carbone ou de silice dont la structure a l'invariance par dilatation d'un objet fractal. Les caoutchoucs ainsi renforcés supportent de grandes contraintes qui croissent souvent plus vite que l'élongation. Nous prétendons que, sous élongation forte, cette contrainte apparaît à cause d'une compression latérale des agrégats induite par le module volumique important du caoutchouc. Nous établissons une loi de puissance reliant la contrainte et l'élongation quand . Cet exposant p dépend de la dimension fractale D et d'un deuxième exposant structural C. Pour des agrégats dont la cinétique de formation est limitée par diffusion, p vaut entre 0,9 et 1,1. Si la cinétique est limitée par le soudage local des particules, p vaut entre 1,8 et 2,4. Sous compression uniaxiale, les puissances homologues valent environ 4. Des caoutchoucs pratiques chargés de tels agrégats devraient approcher des conditions où ces lois d'échelle sont valables.