炭黑/橡胶复合材料导热性能及机理研究
热损坏是轮胎主要损坏形式之一。为了降低轮胎的温升，人们在加强表面散热和降低生热方面开展了很多工作。对于轮胎行业普遍使用的炭黑复合天然橡胶材料，研究工作集中于力学性能、动态力学性能和导电性能方面。实际上纳米级炭黑使得橡胶的导热性能得到很大改善，研究炭黑复合橡胶的导热规律及机理对优化橡胶的导热性能及降低胶料温升具有重要的科学意义和现实意义。 在国家自然科学基金“炭黑填充橡胶的微观导热机理及逾渗效应(50773034)”和山东省自然科学基金“基于逾渗网络的炭黑填充橡胶微观导热特性研究(Y2007F38)”的资助下从导热性能的基础研究着手，研究影响炭黑复合橡胶材料导热性能的因素及作用规律，探讨导热机理，构建导热模型。 选用6种橡胶用炭黑和2种导电炭黑，实验研究了炭黑品种影响橡胶导热性能的规律。结果表明:乙炔黑的填充对橡胶导热性能的改善明显优于其它品种炭黑;当导电炭黑40B2的填充量达到中等水平时，对于橡胶导热性能的改善优于其它橡胶用炭黑;在橡胶用炭黑中，N539、N330、N234和N375对橡胶导热性能的改善作用较明显，N660的作用不大。部分牌号的橡胶用炭黑，当填充量很少时，不能改善橡胶的导热性能，甚至导致导热性能下降。 炭黑填充量对橡胶导热性能影响规律的实验研究发现:N134、N234、N375、N660及乙炔黑填充胶的导热性能随炭黑填充量的增加呈线性增长，其它品种炭黑呈曲线增长。对于导电炭黑40B2填充胶，其导热性能与炭黑填充量的关系采用了逾渗理论描述。这是首次在炭黑填充聚合物材料的导热性能中应用逾渗理论，并据逾渗理论和材料的微观结构，确定了导热逾渗阈值。对于力学性能的研究发现40B2复合体系拉伸强度的最大值所在区域恰巧与导热逾渗阈值区域吻合，而橡胶拉伸强度的提高归因于内部的炭黑网络，这说明炭黑网络对于导热逾渗行为具有重要贡献;炭黑品种对橡胶导热性能的影响随炭黑填充量的增加而变大。 温度影响复合橡胶导热性能的实验研究发现:炭黑复合橡胶材料的导热性能与温度的关系不能用简单的数学关系描述。橡胶用炭黑填充胶的导热性能随温度的上升而波动上升，部分牌号热导率上升的趋势在80℃之后减缓，甚至下降，炭黑填充量高时尤为明显。且炭黑填充量越多，温度的影响越大;温度对40B2填充胶的导热逾渗行为没有影响。对复合体系热导率的影响程度随炭黑填充量的变化而变化，逾渗阈值区域内，随填料量的增加先增大后减小，逾渗阈值区域外，其影响程度很小。乙炔黑填充胶热导率随温度变化规律与40B2相似，填充量少时，影响小，填充量多时，温度影响加大;导电炭黑填充胶的导热性能受温度的影响程度小于橡胶用炭黑。 采用开炼和密炼工艺混炼胶料，并改变密炼混炼参数，实验研究了工艺影响导热性能的规律。结果表明:密炼工艺更有利于导热性能的提高;转子转速和混炼时间对导热性能影响较为复杂。保持混炼时间一定提高转子转速，未必有利于导热性能的提高，甚至变差。而保持转子的转速不变，延长混炼时间也未必有利于导热性能的提高。只有二者恰当组合才能得到导热性能良好的材料。 对炭黑的特性、炭黑及其复合橡胶的微观结构进行了测试和表征。首次从炭黑的特性、微晶结构、在橡胶内的分布及导热载子着手，结合经典物理学框架下的导电、导热相似性和炭黑填充聚合物导电机理探讨了炭黑复合橡胶材料的导热机理:提出在复合体系中既存在炭黑电子导热机制，也存在炭黑和橡胶的声子导热机制，声子导热遵循炭黑声子增强橡胶声子导热机制;炭黑以聚集体的形式存在于基体内，炭黑的分布随着填充量的变化而变化，炭黑的分布对于复合橡胶的导热性能有着至关重要的影响。温度对复合橡胶导热性能的影响源于温度变化引起炭黑聚群的变换;工艺对导热性能的影响与复合体系内部炭黑的分布及其复合界面密不可分。良好的填料分散和复合界面有利于复合橡胶的导热性能;导热逾渗现象与炭黑特性和微晶结构及炭黑的分布有关，复合体系中炭黑的电子导热载子对于逾渗行为具有重要的贡献。据导热机理的探讨，提出炭黑影响导热性能的关键特性，并自微观传输的角度分析了导热机理与导电机理的相似性。 基于炭黑在橡胶内的分布随填充量和炭黑特性的变化规律及其对复合橡胶内部热量传导的影响，借鉴导电电阻思想，构建了炭黑复合橡胶材料的热阻模型。首次将炭黑影响复合体系导热性能的关键特性作为考虑因素，建立了热导率预测方程。方程的热导率预测值与实验值吻合良好，除个别炭黑填充胶的热导率预测误差平均值为5.4％外，预测误差平均值仅为1％至3％左右。
橡胶;炭黑;导热性能;复合材料;工艺参数;轮胎制品
青岛科技大学
博士
化工过程机械
马连湘
2013
中文
TQ330.7;TQ336.1
165
2014-02-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）