橡膠導熱配方設計論文

1、橡膠導熱配方設計論文 1實驗 11試驗儀器與設備 XK-160開煉機，湖州橡機廠產品；F370密煉機，大連冰山橡塑股份有限公司產品；C200E硫化儀，北京友深電子儀器廠產品；50T平板硫化機，湖州橡機廠產品；電子拉力機，廣西師大產品。 12原材料與試驗配方 NR，國產；SBR1500，吉化公司產品；BR9000，上海高橋石化公司產品；N330炭黑，上海卡博特炭黑廠產品；N220炭黑，富春江化工有限公司產品；TB系列導熱增強劑，大連天寶化學工業(yè)有限公司產品；微晶石墨，湖南郴州石墨廠產品；其余材料均為正常市購原材料。 表一試驗配方之一 結果與討論 2.1填充型硫化橡膠熱傳導機理探討 常用的橡膠填料

2、根據其形狀,可分為粉狀、纖維狀及片狀，其硫化橡膠的導熱模型依其形狀可分為三種： （1）粉狀填料體系模型：該模型由AgariY等人提出，它適用于粉狀的高填充量的填料體系，其原理為粒子間彼此接觸發(fā)生團聚甚至形成導熱鏈。該模型不僅考慮了填料本身的因素也考慮了聚合物的影響。表達公式為：lg=C2lg2+(1-)lg(C11)，式中，為復合材料的導熱系數(shù)，1和2分別為聚合物和填料的導熱系數(shù)，為填料的體積分數(shù)，C1為影響結晶度和聚合物結晶尺寸的因子，C2為形成粒子導熱鏈的自由因子。1C20，它體現(xiàn)了形成導熱鏈的難易程序。粒子越容易形成導熱鏈，對復合材料導熱性的影響越大，C2就越接近1。 （2）纖維狀填料模

3、型：該模型也由AgariY等人提出，適用于纖維狀的填料體系。該模型在研究碳纖維填充聚乙烯復合材料的導熱性時，得到了進一步完善，使其能夠應用于各種長徑比纖維充復合材料導熱系數(shù)的預測。公式如下： lg=Clg(L/D)+Elg2+（1-）lg(C11)，式中，L/D為纖維長徑比，C和E是與纖維種類和分散體系種類有關的常數(shù)。 （3）片狀填料模型：該模型由HattaH等人提出，可預測片狀填料復合材料的導熱性，公式為：/11+/S(1-)+1/(2-1)，式中，S依賴于導熱系數(shù)測量的方向：當沿平面測量材料的導熱系數(shù)時，Sd/4X；當測量厚度方向上的導熱系數(shù)時，S1-d/2X(d為片狀填料的有效直徑，X為

4、片狀填料的厚度)根據硫化橡膠的三種導熱模型，我們可以認為，填料自身的導熱性能及其在基體中的分布形式決定了橡膠制品的導熱性能，而橡膠基本材料的導熱性能也有著不可忽視的影響。選擇適當?shù)奶盍虾瓦m宜的工藝是制取高性能導熱橡膠的關鍵。 一般而言，橡膠基體中基本上沒有熱傳遞所需要的均一致密的有序晶體結構或載荷子，導熱性能較差。作為非晶體的橡膠的導熱機理是依靠無規(guī)排列的分子或原子圍繞某一固定位置的熱振動，將能量依次傳給相鄰的分子或原子。其導熱性能對溫度的變化有依賴性，隨著溫度升高，可以發(fā)生更大基團或鏈節(jié)的振動，導熱性增強。另外，橡膠基體的導熱性還取決于分子內部的結合緊密程度，除了本身結合緊密外，也可用外界的

5、定向拉伸或模壓提高導熱性。橡膠基體的導熱性也隨其相對分子質量、交聯(lián)度和取向度的增大而增強。BhowmickT研究了6種線形彈性體的導熱性與溫度的關系，結果表明，在60-300K范圍內，它們的導熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大，在玻璃化溫度附近達到最大值后下降，在290K時達到平衡。橡膠重復單元上側基的相對分子質量越大，其導熱系數(shù)越大，反之則越小。 由于橡膠基體的導熱性能較差，因此，導熱橡膠配方的研究也主要集中在導熱填充體系的研究上，這也是本工作的主要內容。 22不同填充劑對橡膠基方物理機械性能和導熱性能的影響 導熱復合橡膠的導熱性能最終由橡膠基體和填料的綜合作用決定。無論是粒子還是纖維形式，填料自身

6、的導熱性都遠大于基體材料。當填充量較小時，填料粒子能夠均勻地分散在體系中，之間沒有接觸和相互作用，此時填料對于整個體系的導熱性貢獻不大。當填充量達到一定數(shù)值時，填料粒子之間開始有了相互作用，在體系中形成了類似鏈狀和網狀的形態(tài)，稱為導熱網鏈。這些導熱網鏈的取向與熱流方向平行時，能在很大程度上提高體系的導熱性。這類似于一個簡單的電路，當兩個不同阻值的電阻并聯(lián)在一起時，在一定的電壓下，阻值越小的電阻對于電路中總電流的貢獻越大。體系中基體和填料可以分別看作為兩個熱阻，顯然基體本身的導熱性很差，相應的熱阻就很大，而填料自身的熱阻非常小。但是體系中如果在熱流方向上未形成導熱網鏈，使得基體熱阻和填料熱阻之間

7、是串聯(lián)關系，則在熱流方向上的總熱阻很大，最終導致體系的導熱性較差。而當熱流方向上形成導熱網鏈后，填料形成的熱阻大大減小，基體熱阻和填料熱阻之間有了并聯(lián)關系，這樣導熱網鏈對于整個體系導熱性起了主導作用而大大提高了體系的導熱性。為獲得高導熱性體系，如何利用各種手段以使體系中的導熱網鏈最大程度地形成從而達到有效熱傳導是應考慮的關鍵問題。 填料導熱能力取決于填料最終的顆粒形狀和大小、表面特性、本身的導熱性以及其導熱性隨溫度、濕度、壓力的變化等因素。在同樣的體積分數(shù)和導熱系數(shù)下，纖維狀填料可賦予基體更高的導熱性。但由于纖維復合材料一般很難達到較高的填充系數(shù)，因此其應用較球形填料少。 有研究表明，納米材料

8、的應用為導熱配方的設計提供了良好的條件，但目前納米材料大部分還處于研究開發(fā)階段，且使用成本也十分高，因此，本工作還是把重點放在常用的橡膠助劑與材料上。 表一是不同填料對橡膠基方物理機械性能的貢獻，從表一中我們可以看到，N220炭黑是所有試驗材料中補強性能最好的填料，300%定伸應力達到18.5Mpa，拉伸強度達到26.6Mpa，但導熱性能不是十分理想，因此，設計導熱配方時，N220僅僅作為補強劑使用；ZO、F2O3、AI2O3不僅沒有補強性能，導熱性能也不理想，見圖一，因此，在進一步設計導熱配方時，可以排除使用上述材料的可能；微晶石墨的導熱性能雖然比ZO、F2O3、AI2O3稍好，但補強性能很

9、差，顯然也無法作為橡膠的補強劑使用；從表一、圖一我們注意到，導熱增強劑TB-1不僅具有最好的導熱性，其對橡膠的補強性也十分理想，表一顯示，300%定伸應力達到9.4Mpa，拉伸強度達到20.0Mpa，可以說能基本滿足設計導熱配方時材料性能要求；導熱增強劑TB-2對橡膠的補強性也十分理想，300%定伸應力達到15.3Mpa，拉伸強度達到24.6Mpa，但導熱性能表現(xiàn)得不如TB-1，因此，我們在設計導熱配方時也剔除了使用TB-2。 從表一不同填料橡膠基方的物理機械性能并結合其導熱特性，本工作優(yōu)選出TB-1導熱增強劑作為設計導熱橡膠配方的導熱助劑。 23導熱增強劑TB-1對橡膠復合材料導熱性能的影響

10、 231不同配方硫化橡膠導熱系數(shù)隨溫度的變化 圖3是用部分導熱增強劑代替半補強炭黑的硫化橡膠在70130溫度下測得的導熱系數(shù)，從圖中可以看到，二配方的導熱系數(shù)都隨溫度的升高而增大，這一現(xiàn)象與前述的導熱機理相符；有實際意義的是，使用10份導熱增強劑代替半補強的胎側膠，其導熱系數(shù)值比不用導熱增強劑的胎側膠的導熱系數(shù)值提高了40%左右。 232不同配方硫化橡膠比熱隨溫度的變化 圖四是用部分導熱增強劑代替半補強炭黑的硫化橡膠在70130溫度下測得的比熱數(shù)據，從圖中可以看到，二配方的比熱都隨溫度的升高而增大，使用10份導熱增強劑代替半補強的胎側膠，其比熱比不用導熱增強劑的胎側膠的比熱高。 233不同配方

11、硫化橡膠熱擴散系數(shù)隨溫度的變化 圖二是用部分導熱增強劑代替半補強炭黑的硫化橡膠在60150溫度下測得的熱擴散系數(shù)，從圖中可以看到，二配方的熱擴散系數(shù)都隨溫度的升高而減??；有價值的是，使用10份導熱增強劑代替半補強的胎側膠，其熱擴散系數(shù)值比不用導熱增強劑的胎側膠的熱擴散系數(shù)值提高了6%左右。 234導熱增強劑TB-1對輪胎胎側膠物理機械性能的影響 表二是部分導熱增強劑TB-1代替半補強炭黑的胎側配方，從表二中我們可以看到，胎側膠中使用10份或20份導熱增強劑TB-1，對胎側膠的物理機械性能幾乎沒有影響，從表二中可以看到，1#3#配方無論是物理性能還是混煉膠的特性，出乎意料的出奇的一致，如300%

12、定伸應力，1#配方為15.4Mpa，2#、3#配方均為14.7Mpa；拉伸強度1#配方為27.1Mpa，2#、3#配方則分別為28.7Mpa和27.8Mpa，可以說導熱增強劑TB-1完全可以代替部分半補強炭黑用于胎側配方中。從表五中可以看到，使用導熱增強劑TB-1的胎側膠的天候老化性能略優(yōu)于不用導熱增強劑TB-1的胎側膠，特別是使用導熱增強劑TB-1的胎側膠天候老化后表面顏色不會發(fā)生變化，而不用導熱增強劑TB-1的胎側膠天候老化后表面顏色略呈紅色，這一特征可能與導熱增強劑TB-1與防老劑的親和力比較好防老劑在胎側膠中不易遷移有關。 有意義的是，使用導熱增強劑TB-1后的胎側膠的熱擴散系數(shù)、導熱

13、系數(shù)、比熱比不用導熱增強劑的胎側膠大，見圖二、圖三、圖四，這一些特性驗證了本工作欲提高胎側膠導熱性能的可行性。 235導熱增強劑TB-1對輪胎胎體膠性能的影響 表三是部分導熱增強劑TB-1代替N330炭黑的胎體配方，從表三中我們可以看到，胎體膠中用10份、15份導熱增強劑TB-1代替N330炭黑，對胎體膠的物理機械性能影響很小，300%定伸應力、拉伸強度、扯斷伸長率十分接近；從混煉膠的硫化特性數(shù)據我們可以看到，使用了導熱增強劑的胎體膠2#、3#配方，混煉膠的焦燒時間比不用導熱增強劑的1#配方長，這一點顯然對胎體配方設計十分有利；雖然用導熱增強劑TB-1代替部分N330炭黑后的2#、3#配方的扯

14、斷強度低于不用導熱增強劑的1#配方，但2#、3#配方的扯斷強度還是大大高于正常生產配方扯斷強度，此外，從表三還可以看到，使用了導熱增強劑的2#、3#配方，其與骨架材料簾線的附著強度明顯高于正常生產用配方，因此，將導熱增強劑TB-1應用于輪胎胎體配方中是可行的。 236導熱增強劑TB-1對水胎胎體膠性能的影響 表四是水胎配方中用25份導熱增強劑TB-1等量代替半補強炭黑后物理機械性能，從表中可以看到，8#、9#二個配方的性能十分接近，而與實際使用的低成本水胎配方比較，則使用導熱增強劑TB-1的9#試驗配方，其各項物理性能明顯高于實際使用的低成本水胎配方，顯然，用部分導熱增強劑代替半補強炭黑應用于

15、水胎配方中是完全可行的。 令人興奮的是，使用導熱增強劑TB-1的試驗配方，其傳熱速度明顯比正常生產使用的水胎配方高，從圖五可以看到，在19mm厚的試驗膠板的一面施加162的熱源后，13分鐘后至試驗結束，二配方的傳熱溫度差達1310，很明顯，本工作中使用導熱增強劑TB-1的試驗水胎配方的傳熱速度快，在輪胎硫化時能縮短水胎的傳熱時間，因此，在本工作的后階段，我們?yōu)轵炞C導熱水胎配方對硫化傳熱的積極影響，制作了試驗水胎進行實際硫化測溫，見圖六，從圖中可以看到，試驗水胎硫化時的溫度比正常水胎高510，根據阿累尼烏斯公式，硫化溫度提高10，可使硫化速度提高一倍，因此，盡管導熱水胎配方對實際使用的水胎傳熱溫

16、度只提高了510，但對橡膠企業(yè)而言其潛在的利益是明顯的，它可以作為輪胎生產廠家縮短硫化時間、提高生產效率、降低能耗的重要參考依據。 3結論 導熱增強劑TB-1對橡膠具有較高的補強性，其填充橡膠對導熱性能也有很好的貢獻，是目前較為理想的導熱型橡膠補強助劑。 通過配合TB-1導熱增強劑，可以提高硫化橡膠的導熱性能，對提高應力應變頻率較高的橡膠制品的使用壽命特別是安全性有較好的幫助作用； 在厚橡膠制品中使用導熱增強劑TB-1，可以避免或減輕在硫化過程中表面過硫而中心欠硫的現(xiàn)象，對提高厚橡膠制品的使用質量十分有利； 輪胎硫化水胎中應用導熱配方，可以提高水胎的傳熱速度，減小水胎傳熱時的溫度梯度，因而可以縮短硫化時間，提高硫化效率，降低能耗； 導熱配方可以應用于載重汽車輪胎的胎側膠和內層膠中，胎側膠和內層中使用部分導熱增強劑，可以將輪胎在行駛過程中產生的熱量較快地從內部引導到輪胎的表面，對提高載重輪胎的使用壽命特別是輪胎的使用安全性十分有利，導熱增強劑的使用比例，胎側膠宜選擇515份，內層膠宜選擇510份； 導熱增強劑具有一定的耐光性和耐臭氧性，輪胎胎側膠配合部分導熱增強劑后，輪胎的耐天候老化性能有一定的提高，特別是導熱增強劑能減緩防老劑6PPD向胎側表面遷移，因此，對提高輪胎外觀色澤的美觀程度十分有利。 論文關鍵詞：橡膠導熱助劑導熱配方熱擴散系數(shù) 論文摘要：本工作