炭黑-橡膠復合材料導熱性能及機理研究.pdf

1、熱損壞是輪胎主要損壞形式之一。為了降低輪胎的溫升，人們在加強表面散熱和降低生熱方面開展了很多工作。對于輪胎行業(yè)普遍使用的炭黑復合天然橡膠材料，研究工作集中于力學性能、動態(tài)力學性能和導電性能方面。實際上納米級炭黑使得橡膠的導熱性能得到很大改善，研究炭黑復合橡膠的導熱規(guī)律及機理對優(yōu)化橡膠的導熱性能及降低膠料溫升具有重要的科學意義和現(xiàn)實意義。
　　在國家自然科學基金“炭黑填充橡膠的微觀導熱機理及逾滲效應(yīng)(50773034)”和山東省自然

2、科學基金“基于逾滲網(wǎng)絡(luò)的炭黑填充橡膠微觀導熱特性研究(Y2007F38)”的資助下從導熱性能的基礎(chǔ)研究著手，研究影響炭黑復合橡膠材料導熱性能的因素及作用規(guī)律，探討導熱機理，構(gòu)建導熱模型。
　　選用6種橡膠用炭黑和2種導電炭黑，實驗研究了炭黑品種影響橡膠導熱性能的規(guī)律。結(jié)果表明:乙炔黑的填充對橡膠導熱性能的改善明顯優(yōu)于其它品種炭黑;當導電炭黑40B2的填充量達到中等水平時，對于橡膠導熱性能的改善優(yōu)于其它橡膠用炭黑;在橡膠用炭黑中，N

3、539、N330、N234和N375對橡膠導熱性能的改善作用較明顯，N660的作用不大。部分牌號的橡膠用炭黑，當填充量很少時，不能改善橡膠的導熱性能，甚至導致導熱性能下降。
　　炭黑填充量對橡膠導熱性能影響規(guī)律的實驗研究發(fā)現(xiàn):N134、N234、N375、N660及乙炔黑填充膠的導熱性能隨炭黑填充量的增加呈線性增長，其它品種炭黑呈曲線增長。對于導電炭黑40B2填充膠，其導熱性能與炭黑填充量的關(guān)系采用了逾滲理論描述。這是首次在炭黑填

4、充聚合物材料的導熱性能中應(yīng)用逾滲理論，并據(jù)逾滲理論和材料的微觀結(jié)構(gòu)，確定了導熱逾滲閾值。對于力學性能的研究發(fā)現(xiàn)40B2復合體系拉伸強度的最大值所在區(qū)域恰巧與導熱逾滲閾值區(qū)域吻合，而橡膠拉伸強度的提高歸因于內(nèi)部的炭黑網(wǎng)絡(luò)，這說明炭黑網(wǎng)絡(luò)對于導熱逾滲行為具有重要貢獻;炭黑品種對橡膠導熱性能的影響隨炭黑填充量的增加而變大。
　　溫度影響復合橡膠導熱性能的實驗研究發(fā)現(xiàn):炭黑復合橡膠材料的導熱性能與溫度的關(guān)系不能用簡單的數(shù)學關(guān)系描述。橡膠用

5、炭黑填充膠的導熱性能隨溫度的上升而波動上升，部分牌號熱導率上升的趨勢在80℃之后減緩，甚至下降，炭黑填充量高時尤為明顯。且炭黑填充量越多，溫度的影響越大;溫度對40B2填充膠的導熱逾滲行為沒有影響。對復合體系熱導率的影響程度隨炭黑填充量的變化而變化，逾滲閾值區(qū)域內(nèi)，隨填料量的增加先增大后減小，逾滲閾值區(qū)域外，其影響程度很小。乙炔黑填充膠熱導率隨溫度變化規(guī)律與40B2相似，填充量少時，影響小，填充量多時，溫度影響加大;導電炭黑填充膠的導熱

6、性能受溫度的影響程度小于橡膠用炭黑。
　　采用開煉和密煉工藝混煉膠料，并改變密煉混煉參數(shù)，實驗研究了工藝影響導熱性能的規(guī)律。結(jié)果表明:密煉工藝更有利于導熱性能的提高;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和混煉時間對導熱性能影響較為復雜。保持混煉時間一定提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，未必有利于導熱性能的提高，甚至變差。而保持轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不變，延長混煉時間也未必有利于導熱性能的提高。只有二者恰當組合才能得到導熱性能良好的材料。
　　對炭黑的特性、炭黑及其復合橡膠的微觀結(jié)構(gòu)進

7、行了測試和表征。首次從炭黑的特性、微晶結(jié)構(gòu)、在橡膠內(nèi)的分布及導熱載子著手，結(jié)合經(jīng)典物理學框架下的導電、導熱相似性和炭黑填充聚合物導電機理探討了炭黑復合橡膠材料的導熱機理:提出在復合體系中既存在炭黑電子導熱機制，也存在炭黑和橡膠的聲子導熱機制，聲子導熱遵循炭黑聲子增強橡膠聲子導熱機制;炭黑以聚集體的形式存在于基體內(nèi)，炭黑的分布隨著填充量的變化而變化，炭黑的分布對于復合橡膠的導熱性能有著至關(guān)重要的影響。溫度對復合橡膠導熱性能的影響源于溫度變

8、化引起炭黑聚群的變換;工藝對導熱性能的影響與復合體系內(nèi)部炭黑的分布及其復合界面密不可分。良好的填料分散和復合界面有利于復合橡膠的導熱性能;導熱逾滲現(xiàn)象與炭黑特性和微晶結(jié)構(gòu)及炭黑的分布有關(guān)，復合體系中炭黑的電子導熱載子對于逾滲行為具有重要的貢獻。據(jù)導熱機理的探討，提出炭黑影響導熱性能的關(guān)鍵特性，并自微觀傳輸?shù)慕嵌确治隽藢釞C理與導電機理的相似性。
　　基于炭黑在橡膠內(nèi)的分布隨填充量和炭黑特性的變化規(guī)律及其對復合橡膠內(nèi)部熱量傳導的影響