炭黑橡膠復(fù)合材料熱導(dǎo)率的計算

1、炭黑填充天然橡膠復(fù)合材料熱導(dǎo)率的研究李海濤1,何燕*，馬連湘（青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院，山東 青島266061）摘要：實驗測得了2種炭黑填充橡膠復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，并與理論模型計算結(jié)果進行了對比。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：炭黑含量對炭黑填充膠熱導(dǎo)率影響很大，隨著炭黑用量的增加，炭黑填充橡膠復(fù)合 材料的熱導(dǎo)率逐步增加；炭黑填充橡膠復(fù)合材料的熱導(dǎo)率與炭黑的結(jié)構(gòu)性及形態(tài)有關(guān)；在低填 充份數(shù)2% - 20%范圍內(nèi)，用Maxwell模型預(yù)測N539炭黑/橡膠及N330炭黑/橡膠兩種復(fù)合材料 的熱導(dǎo)率與實驗結(jié)果最為接近。關(guān)鍵詞：炭黑；橡膠；熱導(dǎo)率；導(dǎo)熱模型中圖分類號：TB 324文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AStudy of Therm

2、al Conductivity of Natural RubberFilled with CarbonLI Hai-tao, HE Yn, MA Lian-xiang（College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061,China ）Abstract: The thermal conductivities of rubber filled with carbon are experimentally measured, cal

3、culated, analyzed and compared with theoretical results according to various theoretical models. It is shown that thermal conductivity of rubber filled with carbon is obviously enhanced with increase of the volume filler fraction of carbon, is related with the carbon diameter structure and interface

4、 effect. The estimated thermal conductivities by using Maxwell theoretical model are of the same variation as the experimental ones of N539 carbon/rubber and N330 carbon/rubber at the range of volume filler fraction of carbon from 2% to 20%.Key words: carbon; rubber; thermal conductivity; thermal co

5、nductivity model炭黑/橡膠復(fù)合材料是一種常見的填充型復(fù)合材料，在航空、航天、汽車、電子、 電氣領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用1。輪胎工業(yè)朝著低生熱、高導(dǎo)熱的方向發(fā)展，研究橡 膠材料的導(dǎo)熱性能有著重要的意義。炭黑作為一種重要的補強劑，被填充到橡膠基 體中用來提高其性能。炭黑的熱導(dǎo)率較高，雖然在填充份數(shù)較低時對材料的熱傳導(dǎo) 性能貢獻(xiàn)不大，但當(dāng)填充份數(shù)達(dá)到一定值時，它們彼此之間會相互接觸和作用，形 成所謂的“導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)”而使得復(fù)合材料的熱導(dǎo)率得到較大提高。為此，本研究分別對炭黑N330/天然橡膠和炭黑N539/天然橡膠兩種復(fù)合材料的 熱導(dǎo)率進行了實驗研究，并與理論模型計算結(jié)果進行了對比分析。收稿

6、日期2008-09-04基金項目：國家自然科學(xué)基金（50773034）；山東省自然科學(xué)基金（Y2007F38）；山東省教育廳科技計劃（J07YA14） 作者簡介：李海濤（1983-），男，碩士研究生.*為通訊聯(lián)系人.1實驗部分1.1基本配方膠料配方（質(zhì)量份）天然橡膠100;炭黑 變量（10份125）；活性劑4.5； 防老劑2.50；增塑劑3.00；硫化體系1.98；促進劑1.30；防焦劑0.08。2種炭黑的性能見表1。表1炭黑的性能Table 1 The physical properties of carbon black炭黑種類吸油值DBPCTAB/mL （100g） -1/m2 g-1N

7、33010282N539111431.2主要儀器與設(shè)備雙輥筒煉膠，S（X）-160A ,上海輕工機械研究所；平板硫化儀， HS-100T-FTMO-2RT,佳鑫電子設(shè)備科技（深圳）有限公司；激光閃射導(dǎo)熱分析儀， LFA447型，德國耐馳公司。1.3試樣制備1.3.1混煉與硫化橡膠的混煉用雙輥筒開煉機按照常規(guī)操作進行，開煉時間根據(jù)膠料的不同，約為 1520 min。得到的混煉膠放入平板硫化儀中硫化，時間15min，溫度160 C。1.3.2試樣裁制在進行熱導(dǎo)率測量之前，需用圓形刀具將膠料裁制成圓形試樣，直徑為12.5mm 12.7mm,厚為2mm左右。1.3.3熱導(dǎo)率測試把在不同填充份數(shù)下制備的

8、各種標(biāo)準(zhǔn)試樣進行測試，每個數(shù)據(jù)為5次測量的平均 值，得到炭黑/天然橡膠復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。為方便研究將炭黑、橡膠質(zhì)量份數(shù)轉(zhuǎn)化 為體積份數(shù)。圖1是2類復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨填充體積份數(shù)增加逐漸增大的變化規(guī)律。 熱導(dǎo)率的測試原理及測試方法見參考文獻(xiàn)3,4,5。2理論導(dǎo)熱模型及熱導(dǎo)率計算（1）Maxwell 模型根據(jù)Maxwell理論 把分散相（炭黑）假設(shè)為球形粒子，以“孤島”形式分 散在橡膠基體中，從中推導(dǎo)出的炭黑粒子隨機分布在連續(xù)橡膠基體中的二相體系熱 導(dǎo)率的Maxwell方程為：(1)x+2X+ 2U(x x )-X+2 X 2V(X X )f m f f m -因為炭黑粒子的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于天然橡膠的

9、熱導(dǎo)率，所以公式（2）可以簡化為(2)Nielsen 模型（3）Nielsen在考慮兩相復(fù)合體系中填料粒子的形狀因素、堆積形式或取向影響的 基礎(chǔ)上提出了 Nielsen熱導(dǎo)率方程7,8：官q， b=3J,中=1+jv c m 1 - BV pX / 入+ AV 2 f式中A為與顆粒的形狀有關(guān)和方向有關(guān)的常數(shù)（對于球形顆粒A=1.5）； B為與 各組分熱導(dǎo)率有關(guān)的常數(shù)；p為與分散相粒子最大堆積體積百分?jǐn)?shù)有關(guān)的函數(shù)；vm為分散相對大的包裹部分（對于球形顆粒Vm = 0.637）（3）Baschirow-Selenew 模型Baschirow和Seleneww在假定粒子是球形時，并且復(fù)合體系的兩相是

10、各向同 性的前提下推導(dǎo)出了預(yù)測公式：Xa2兀 =1 -a兀P1 -P一 ln(1 +a_),其中P -X(6V )c+-j ， a =fX42aPX -X兀mmfdbpn330, 因此，在相同的炭黑填充體積份數(shù)下，兩者的導(dǎo)熱性能的關(guān)系應(yīng)為熱導(dǎo)率fl/：。炭黑的比表面積（常用大分子吸附法（CTAB）表征）也是影響材料導(dǎo)熱性能的重 要因素，比表面積越大，相應(yīng)炭黑的粒徑就越小，炭黑與橡膠的基體的接觸面積就 越大，表面熱阻也就越小。由表1知，CTABn539 CTABn330，所以從這方面考慮，又應(yīng)存 在入 N539A船。，但相差不大。然而在高填充時，特別是在填充量高于20% 以后，炭黑粒子難于裹覆，

11、反而更容易接觸形成導(dǎo)熱通道，此時可以看到入球入帥。 3.2復(fù)合材料熱導(dǎo)率理論計算與實驗結(jié)果比較皿圖2是按照5種理論模型計算得到的熱導(dǎo)率與實驗結(jié)果的對比。從圖中可以看 出，Agari并聯(lián)模型預(yù)測值隨炭黑填充份數(shù)的增大而增加，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離于實驗結(jié) 果，在填充體積份數(shù)2%32%范圍內(nèi)，熱導(dǎo)率為0.31.4 W （m k） -1范圍內(nèi)。 Baschirow-Selenew模型、Nielsen模型和Agari串聯(lián)模型在極低份數(shù)下與實驗結(jié)果 相差較小，但隨著炭黑體積填充份數(shù)的增加，3種模型的預(yù)測值增加的幅度不大， 熱導(dǎo)率在0.170.39 W（mk）-1范圍內(nèi)。其中Agari串聯(lián)模型增加的幅度最小， 在一

12、填充份數(shù)下預(yù)測值也最小，在0.170.25 W（mk）-1范圍內(nèi)。對兩種炭黑填 充橡膠復(fù)合材料，Maxwell模型的預(yù)測值與實驗結(jié)果最為接近，特別是在填充量低 于20%時，預(yù)測值與實驗值隨炭黑填充份數(shù)的變化基本一致；但當(dāng)體積填充量高于 20%時，兩者相差較大，此時再用Maxwell模型預(yù)測已不合適，需要建立更合適理論 模型進行預(yù)測。05101520253035T (N330)%111111OOOOOOOO D k m (/原導(dǎo)熱5 43209 8 007 6 5 4 3 2 000000ID k m ( w / 導(dǎo)熱MaxwellN i e l s e nB a s c h i r o wA

13、g并聯(lián)iA g串聯(lián)i05101520253035rn (N539)%(a)(b)圖2熱導(dǎo)率實驗值與理論值的比較Fig.2 The comparison of thermal conductivity between experimental date and theoretical date4結(jié)論炭黑體積份數(shù)對炭黑填充膠熱導(dǎo)率影響很大。隨著炭黑用量的增加，炭黑 填充橡膠復(fù)合材料的熱導(dǎo)率逐步增加。炭黑填充橡膠復(fù)合材料的熱導(dǎo)率與炭黑的結(jié)構(gòu)性及形態(tài)有關(guān)。填充量低于 15%時，入睥？入* 但相差不大。在高填充時，特別是在填充量高于20%以后，入N539 入 。N330在炭黑填充體積份數(shù)2%20%范圍內(nèi)

14、，用Maxwell模型預(yù)測炭黑填充橡膠復(fù) 合材料的熱導(dǎo)率與實驗結(jié)果最為接近，當(dāng)填充份數(shù)高于20%，兩者相差較大，需要建 立更合適的模型進行預(yù)測。參考文獻(xiàn)馬傳國，容敏智，章明秋.導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的研究與應(yīng)用J.材料工程，2002, 7:40-45王亮亮.高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的研究D.南京工業(yè)大學(xué)，2004, 5何燕，崔琪，馬連湘.熱擴散系數(shù)的測量J.青島科技大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版,2005, 26: 516 5184 德國耐馳公司.LFA導(dǎo)熱儀使用手冊M.德國耐馳公司何燕，馬連湘，崔琪.炭黑對輪胎胎面膠熱物性的研究J.合成橡膠工 業(yè),2007,30 (3):211 214Agari Y, Uno

15、 T. Estimation on Thermal Conductivities of Filled PolymerJ.Journal of Applied Polymer Science, 1986, 32 (5):705 708Lewis T, Nielsen L. Dynamic Mechanic Properties of Particulate-filledcomposites J. Journal of Applied Polymer Science, 1970,14(1);449馬傳國，容敏智，章明秋.聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)熱模型及其應(yīng)用J.宇航材料工 藝，2003,3:1 49 葉昌明，陳永林.熱傳導(dǎo)高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱模型、類型及應(yīng)用J.中國塑料