炭黑填充胶的导热机理及逾渗效应

论文摘要

本文结合当前橡胶行业研究热点,针对炭黑填充胶的导热机理及逾渗效应,进行实验研究和理论探讨,分别提出不同的导热模型和导热方程。利用扫描电镜对炭黑填充胶进行微观表征,从机理和微观结构上对导热机理以及逾渗效应进行深入研究。基于子午线轮胎胎面胶配方,将N330、N134、N234和N539四种系列的不同粒径和结构性的炭黑分别作为填充剂,共设计了97种配方,采用NanoflashLFA447激光导热仪在30℃～140℃的温度范围内进行热物性测试。通过整理分析实验数据,得到炭黑填充胶在不同炭黑种类下的导热率随着份数所呈现出不同变化规律。炭黑N330填充胶和炭黑N234填充胶的导热率大体以炭黑体积份数比20%为界,之前线性增长趋势明显,而后出现导热率的突变,可以结合逾渗理论进行描述。炭黑N134填充胶和炭黑N539填充胶导热率随着炭黑份数呈线性规律,但没有达到逾渗范围,由上面可以得出炭黑填充胶的导热规律和炭黑的粒径、结构性和界面效应有很大关系。通过对四种炭黑系列的填充胶的导热率的比较,可以看出中等粒径炭黑N330对填充胶导热率的改善效果最好。炭黑填充胶的导热机理是当炭黑份数比较小时,炭黑分散到橡胶中间,形似“孤岛”,炭黑之间没有接触和相互作用,此时炭黑填料对于整个体系的导热性贡献不大。当填充量达到一定程度时,炭黑粒子之间开始相互作用,在体系中形成了类似链状和网状的形态,称为导热网链。这些导热网链与热流方向平行时,能在很大程度上提高体系的导热性,此时炭黑填充胶的导热率大大提高并具有逾渗效应,逾渗点因炭黑种类和特性不同而不同。在导热模型和导热方程的研究中,引入了热电相似理论、混合物法则、逾渗理论、分形学等前沿理论。低填充份数分别应用Y.Agari模型、Maxwell模型,以及根据填充剂粒子形状建立的立方体、球体模型,经过分析Maxwell模型和立方体模型误差较大,需要分别引入修正因子K和最大堆砌系数? m,在逾渗点之前应用可以得到较好应用,其中球体模型和Y.Agari模型在低填充份数应用时比较准确。对于进入逾渗效应的炭黑N234和N330填充胶,导热系数与V-Vc符合e指数函数,引入逾渗函数临界指数t等参数,得到导热率与V-Vc之间的逾渗关系式为:经过应用可以看出得到的公式比较合理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景与研究现状
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 国内外研究现状
• 1.2 导热机理
• 1.2.1 固体材料的导热机理
• 1.2.2 非金属导热机理
• 1.2.3 聚合物材料的导热机理
• 1.3 填充型导热复合材料的理论模型
• 1.3.1 粒子填料模型
• 1.4 课题的提出
• 1.5 课题的研究目的及意义
• 1.6 课题的主要研究内容
• 2 炭黑填充胶的实验设计及性能测试
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 橡胶成分分析
• 2.2 试样制备
• 2.2.1 开炼工艺
• 2.2.2 硫化过程
• 2.3 橡胶热物性测量装置
• 2.3.1 耐驰LFA447 型导热分析仪技术特性
• 2.4 热物性测量原理
• 2.4.1 热物性测试
• 2.5 实验操作步骤及注意事项
• 2.5.1 测量实验步骤
• 2.5.2 实验操作注意事项
• 2.6 导热仪的校正
• 2.7 减小实验误差的措施
• 2.8 炭黑填充胶的力学性能测试
• 2.8.1 橡胶拉伸破坏理论
• 2.8.2 拉伸强度与填充体系的关系
• 2.9 本章小结
• 3 基于炭黑填充胶的拉伸强度与导热率的实验研究
• 3.1 炭黑份数对填充胶物理性能的影响
• 3.2 炭黑种类对导热性能的影响
• 3.3 炭黑种类对拉伸强度的影响
• 3.4 总结
• 4 炭黑填充胶的导热理论模型
• 4.1 导热研究的基本理论和研究方法
• 4.1.1 导电系统的特征
• 4.1.2 导热系统的特征
• 4.1.3 热电相似理论的应用
• 4.1.4 混合物法则
• 4.2 非均质体系，逾渗和分形理论
• 4.2.1 凝聚态物质的非均质性
• 4.2.2 逾渗理论
• 4.2.3 分形维数和标度率
• 4.3 炭黑填充胶的导热机理
• 4.4 导热模型的建立和理论方程的推导
• 4.4.1 低中填充下的导热模型与导热方程
• 4.4.1.1 根据Maxwell 理论建立热导率方程
• 4.4.1.2 根据分散相的分散形态建立导热模型及导热方程
• 4.4.1.3 根据Y.Agari 理论推导导热方程
• 4.4.2 逾渗模型
• 4.4.3 逾渗热导率方程中临界体积份数的确定
• 5 理论模型与实验结果的对比
• 5.1 低中填充下的导热模型与实验结果的比较
• 5.1.1 Maxwell 理论方程与实验结果的比较
• 5.1.2 球体、立方体理论导热模型与实验结果比较
• 5.1.2.1 球体理论模型与实验结果的比较
• 5.1.2.2 立方体理论模型与实验结果的比较
• 5.1.3 Y.Agari 模型与实验结果的比较
• 5.2 逾渗导热模型和导热方程与实测值的对比
• 5.3 小结
• 6 炭黑填充胶的微观结构研究
• 6.1 扫描电镜实验与理论研究
• 6.1.1 试样的制备
• 6.2 炭黑的微观结构
• 6.2.1 炭黑的一次结构
• 6.3 天然胶的微观结构
• 6.4 炭黑填充胶的微观结构研究
• 6.4.1 炭黑N330 填充胶的微观结构研究
• 6.4.2 炭黑N134 填充胶的微观结构研究
• 6.4.3 炭黑N234 填充胶的微观结构研究
• 6.4.4 炭黑N539 填充胶的微观结构研究
• 6.5 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要研究成果
• 7.2 论文创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表和完成论文