炭黑-橡膠復(fù)合材料導(dǎo)熱性能及機(jī)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?cè)诩訌?qiáng)表面散熱和降低生熱方面開展了很多工作。對(duì)于輪胎行業(yè)普遍使用的炭黑復(fù)合天然橡膠材料，研究工作集中于力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和導(dǎo)電性能方面。實(shí)際上納米級(jí)炭黑使得橡膠的導(dǎo)熱性能得到很大改善，研究炭黑復(fù)合橡膠的導(dǎo)熱規(guī)律及機(jī)理對(duì)優(yōu)化橡膠的導(dǎo)熱性能及降低膠料溫升具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義。
　　在國(guó)家自然科學(xué)基金“炭黑填充橡膠的微觀導(dǎo)熱機(jī)理及逾滲效應(yīng)(50773034)”和山東省自然

2、科學(xué)基金“基于逾滲網(wǎng)絡(luò)的炭黑填充橡膠微觀導(dǎo)熱特性研究(Y2007F38)”的資助下從導(dǎo)熱性能的基礎(chǔ)研究著手，研究影響炭黑復(fù)合橡膠材料導(dǎo)熱性能的因素及作用規(guī)律，探討導(dǎo)熱機(jī)理，構(gòu)建導(dǎo)熱模型。
　　選用6種橡膠用炭黑和2種導(dǎo)電炭黑，實(shí)驗(yàn)研究了炭黑品種影響橡膠導(dǎo)熱性能的規(guī)律。結(jié)果表明:乙炔黑的填充對(duì)橡膠導(dǎo)熱性能的改善明顯優(yōu)于其它品種炭黑;當(dāng)導(dǎo)電炭黑40B2的填充量達(dá)到中等水平時(shí)，對(duì)于橡膠導(dǎo)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(duì)橡膠導(dǎo)熱性能的改善作用較明顯，N660的作用不大。部分牌號(hào)的橡膠用炭黑，當(dāng)填充量很少時(shí)，不能改善橡膠的導(dǎo)熱性能，甚至導(dǎo)致導(dǎo)熱性能下降。
　　炭黑填充量對(duì)橡膠導(dǎo)熱性能影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):N134、N234、N375、N660及乙炔黑填充膠的導(dǎo)熱性能隨炭黑填充量的增加呈線性增長(zhǎng)，其它品種炭黑呈曲線增長(zhǎng)。對(duì)于導(dǎo)電炭黑40B2填充膠，其導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱逾滲閾值。對(duì)于力學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)40B2復(fù)合體系拉伸強(qiáng)度的最大值所在區(qū)域恰巧與導(dǎo)熱逾滲閾值區(qū)域吻合，而橡膠拉伸強(qiáng)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(duì)于導(dǎo)熱逾滲行為具有重要貢獻(xiàn);炭黑品種對(duì)橡膠導(dǎo)熱性能的影響隨炭黑填充量的增加而變大。
　　溫度影響復(fù)合橡膠導(dǎo)熱性能的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):炭黑復(fù)合橡膠材料的導(dǎo)熱性能與溫度的關(guān)系不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系描述。橡膠用

5、炭黑填充膠的導(dǎo)熱性能隨溫度的上升而波動(dòng)上升，部分牌號(hào)熱導(dǎo)率上升的趨勢(shì)在80℃之后減緩，甚至下降，炭黑填充量高時(shí)尤為明顯。且炭黑填充量越多，溫度的影響越大;溫度對(duì)40B2填充膠的導(dǎo)熱逾滲行為沒有影響。對(duì)復(fù)合體系熱導(dǎo)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(dǎo)率隨溫度變化規(guī)律與40B2相似，填充量少時(shí)，影響小，填充量多時(shí)，溫度影響加大;導(dǎo)電炭黑填充膠的導(dǎo)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(shí)驗(yàn)研究了工藝影響導(dǎo)熱性能的規(guī)律。結(jié)果表明:密煉工藝更有利于導(dǎo)熱性能的提高;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和混煉時(shí)間對(duì)導(dǎo)熱性能影響較為復(fù)雜。保持混煉時(shí)間一定提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，未必有利于導(dǎo)熱性能的提高，甚至變差。而保持轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不變，延長(zhǎng)混煉時(shí)間也未必有利于導(dǎo)熱性能的提高。只有二者恰當(dāng)組合才能得到導(dǎo)熱性能良好的材料。
　　對(duì)炭黑的特性、炭黑及其復(fù)合橡膠的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)

7、行了測(cè)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(dǎo)熱載子著手，結(jié)合經(jīng)典物理學(xué)框架下的導(dǎo)電、導(dǎo)熱相似性和炭黑填充聚合物導(dǎo)電機(jī)理探討了炭黑復(fù)合橡膠材料的導(dǎo)熱機(jī)理:提出在復(fù)合體系中既存在炭黑電子導(dǎo)熱機(jī)制，也存在炭黑和橡膠的聲子導(dǎo)熱機(jī)制，聲子導(dǎo)熱遵循炭黑聲子增強(qiáng)橡膠聲子導(dǎo)熱機(jī)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(duì)于復(fù)合橡膠的導(dǎo)熱性能有著至關(guān)重要的影響。溫度對(duì)復(fù)合橡膠導(dǎo)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(duì)導(dǎo)熱性能的影響與復(fù)合體系內(nèi)部炭黑的分布及其復(fù)合界面密不可分。良好的填料分散和復(fù)合界面有利于復(fù)合橡膠的導(dǎo)熱性能;導(dǎo)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(fù)合體系中炭黑的電子導(dǎo)熱載子對(duì)于逾滲行為具有重要的貢獻(xiàn)。據(jù)導(dǎo)熱機(jī)理的探討，提出炭黑影響導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵特性，并自微觀傳輸?shù)慕嵌确治隽藢?dǎo)熱機(jī)理與導(dǎo)電機(jī)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(duì)復(fù)合橡膠內(nèi)部熱量傳導(dǎo)的影響