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1、精选优质文档-倾情为你奉上炭黑/橡胶复合材料热导率的计算何燕收稿日期：2008-10-7基金项目：国家自然科学基金（）；山东省教育厅科技计划（J07YA14）；山东省自然科学基金(Y2007F38） 作者简介：何燕（1973-），女，副教授，博士。主要研究方向：轮胎温度场及材料热物性* 为通讯联系人。地址：青岛市松岭路69号352#信箱。Emai：lihtqust2003电话0532-，李海涛*，马连湘(青岛科技大学（崂山校区）机电工程学院，山东 青岛 )摘要：应用不同的理论模型预测了炭黑/橡胶复合材料的热导率，并与实验测试结果进行了对比分析，结果发现：炭黑体积份数对炭黑填充胶热导率影响很大，
2、随着炭黑用量的增加，炭黑/橡胶复合材料的热导率逐步增加；炭黑/橡胶复合材料的热导率与炭黑的结构性及形态有关；在低填充份数2-25%范围内，用Maxwell模型预测N234炭黑/橡胶及N134炭黑/橡胶两种复合材料的热导率与实验结果最为接近。关键词：炭黑；橡胶；热导率；导热模型中图分类号：TB324 文献标识码A 文章编号：Calculation of Thermal Conductivity of Rubber Filled with CarbonHE Yan, Li Hai-tao, Ma Lian-xiang(School of Electromechanical Engineering,
3、 Qingdao University of Science and Technology, Qingdao , China )Abstract: The thermal conductivities of rubber filled with carbon are calculated according to various theoretical models, analyzed and compared with experimental results. It is shown that thermal conductivity of rubber filled with carbo
4、n is obviously enhanced with increase of the volume filler fraction of carbon, is related with the carbon diameter structure and interface effect. The estimated thermal conductivities by using Maxwell theoretical model are of the same variation as the experimental ones of N234 carbon/rubber and N134
5、 carbon/rubber at the range of volume filler fraction of carbon from 2% to 25%.Key words: carbon; rubber; thermal conductivity; thermal conductivity model专心-专注-专业炭黑/橡胶材料是依靠晶格振动，由声子传递热量1。然而橡胶的相对分子质量较大，且难以完全结晶形成完整的晶格结构2，所以导热率很小。炭黑作为一种补强填料，具有较高的热导率。当体积份数较小时，炭黑虽能均匀分散到橡胶中，但彼此不能形成接触和相互作用，所以炭黑对橡胶基体热导率的影响较小
6、；而当填料的体积份数增加到一定值时，炭黑之间彼此相互接触和作用，使复合体系中形成所谓的“导热网络”而增加热导率,3,4,5,6,7。由此可见对炭黑/橡胶复合材料的热导率起主导作用的是炭黑和橡胶8，为此可把此类复合材料看成是由炭黑和橡胶形成的两相体系。 本文应用5种两相体系预测模型对两种炭黑/天然橡胶复合体系的热导率进行理论预测，并与实验结果进行对比分析。1 理论导热模型及计算方法复合材料二相体系热导率预测模型的研究取得了一定的进展，主要有如下几种形式：（1）Maxwell模型根据Maxwell理论9，把分散相（炭黑）假设为球形粒子，以“孤岛”形式分散在橡胶基体中，从中推导出的炭黑粒子随机分布在
7、连续橡胶基体中的二相体系热导率的Maxwell方程为： （1） 因为炭黑粒子的热导率远大于天然橡胶的热导率，所以公式（2）可以简化为 （2） （2）Nielsen模型Nielsen在考虑两相复合体系中填料粒子的形状因素、堆积形式或取向影响的基础上提出了Nielsen热导率方程10,11： （3）， 式中A为与颗粒的形状有关和方向有关的常数（对于球形颗粒A=1.5）；B为与各组分热导率有关的常数；为与分散相粒子最大堆积体积百分数有关的函数；为分散相对大的包裹部分（对于球形颗粒）（3）Baschirow-Selenew模型Baschirow和Selenew9，12在假定粒子是球形时，并且复合体系的
8、两相是各向同性的前提下推导出了预测公式：（4）其中 （4）Agari模型根据Agari理论13,14，把填充粒子形成的聚集体与聚合物的聚集体在热流方向上按照不同的排列方式提出了并联模型和串联模型，并推导了热导率计算方程：对于并联模型： （5） 对于串联模型： （6） 以上各式中式中，分别为复合材料，连续相橡胶基体和分散相炭黑粒子的热导率；为分散相炭黑粒子的体积百分数。2 计算结果及分析2.1 实验研究结果分析以N234和N134两种炭黑作为填充剂，改变体积份数，分别填充到天然胶中，经混炼、硫化等过程加工成型。天然胶及其它各种填充剂的份数保持不变，合成工艺不变。两种炭黑的物理性能如表1所示。表1
9、 两种炭黑的物理性能Tab.1 The physical properties of two carbon black 炭黑种类性能 N234N134DBP/（mL/100g）12551005CTAB/(m2/g)113-125129-139从Fig.1可看出,不同的炭黑在赋予材料导电性方面有很大的差别,产生这些差别主要源于炭黑的结构和形态。炭黑的结构一般是指非常细的炭黑粒子间能够形成链状或葡萄状结构的程度。通常结构性越高,炭黑粒子间越容易形成空间网络通道结构。这种结构是炭黑粒子分散时可保持的最小基本单元,不容易被破坏,可以保留在成型后的制品中,除非过强的剪切作用而外。宏观上常用吸油值(DBP
10、)来表征其结构性,而且DBP值越大,结构性越高8。从Tab.1可知,就炭黑的结构性而言,N234N339N550N326,因此,在相同的炭黑含量下,它们的体积电阻率的关系应为N234N339N550N326。然而,对于N550和N326并不满足这一关系。这是因为除了DBP值外,炭黑的比表面积(常用CTAB或IA来表征)也是影响复合材料导电性的重要因素。比表面积大,相应炭黑粒径小,在相同炭黑含量下,比表面积值较大的炭黑赋予材料较高的导电性9。而CTABN550比CTABN326小得多,考虑到DBP和CTAB两个因素的共同作用,Fig.1的结果是合理的。把在不同填充体积份数下制备的各种标准试样放入
11、导热仪15中进行测试，每个数据为5次测量的平均值，得到炭黑/橡胶复合材料的热导率，结果放入图1中。图1 两种炭黑/橡胶复合材料热导率实验值Fig.1 The experiment date of thermal conductivity for two carbon black / rubber composites从图1可以看出，两种不同的炭黑赋予材料的导热性能明显不同，造成这种现象的主要原因在于两种炭黑具有不同的结构和形态。炭黑的结构一般是指非常细的炭黑粒子间能够形成链状或葡萄状结构的程度。通常结构性越高，炭黑粒子间越容易形成空间网络通道结构，常用吸油值(DBP)来表征。DBP值越大，其结
12、构性越高。从表1可知，DBPN234DBPN134，因此，在相同的炭黑填充体积份数下，两者的导热性能的关系应为N234N134。炭黑的比表面积(常用CTAB)也是影响材料导热性能的重要因素，比表面积越大，相应炭黑的粒径就越小，炭黑与橡胶的基体的接触面积就越大，表面热阻也就越小，从这一方面考虑应存在N234N134。然而从另一方面考虑，炭黑的粒径越小，在成型过程中就越容易团聚，且易被橡胶基体裹覆，这时反而不利于热量的传递。为此图1显示的结果是合理的。2.2理论结果与实验结果对比分析按以上5种理论模型计算得到了炭黑/橡胶复合材料的热导率随炭黑体积填充份数的变化关系，连同实验结果一起放入图2中。Ag
13、ari并联模型预测值随炭黑填充份数的增大而增加的越快，并且远远偏离于实验结果，在体积填充份数2-25%范围内，热导率为0.26-1.1 W(mk)1范围内。Baschirow-Selenew模型、Nielsen模型和Agari串联模型在极低份数下与实验结果相差较小，但随着炭黑体积填充份数的增加，3种模型的预测值增加的幅度不大，热导率在0.17-0.31 W(mk)1范围内.其中Agari串联模型增加的幅度最小，在一填充份数下预测值也最小，在0.17-0.23 W(mk)1范围内。对两种炭黑/橡胶复合材料，Maxwell模型的预测值与实验结果随炭黑填充份数的变化基本一致，预测结果最接近实验值。
14、（a） （b）图2 热导率实验值与理论值的比较Fig.2 Comparison of thermal conductivity between experimental date and theoretical date3 结论（1）炭黑体积份数对炭黑填充胶热导率影响很大。随着炭黑用量的增加，炭黑/橡胶复合材料的热导率逐步增加。（2）炭黑/橡胶复合材料的热导率与炭黑的结构性及形态有关。体积填充份数相同时，N234炭黑/橡胶材料的热导率大于N134炭黑/橡胶材料的热导率。（3）在炭黑体积填充份数2-25%范围内，用Maxwell模型预测N234炭黑/橡胶复合材料和N134炭黑/橡胶复合材料的热导
15、率与实验结果最为接近。参考文献：1沈以赴.固体物理学基础教程M.北京：化学工业出版社，20052何曼君.高分子物理M.上海：复旦大学出版社，1990，103王亮亮.高导热聚合物基复合材料的研究D.南京工业大学，2004，54程丝，闻荻江.炭黑/聚合物基PTC复合材料研究新进展J.玻璃钢/复合材料，2005,5：48-505汪水平，翁睿，吴志辉.炭黑对不饱和聚酯/玻纤复合材料导电性能的影响J.纤维复合材料，2004,02：6-86万影，闻荻江.炭黑填充导电橡胶电阻率稳定性的研究J.玻璃钢/复合材料，1997，06：27-307王钧傅，孟红杰.炭黑环氧树脂导电复合材料的研究J.玻璃钢/复合材料，1
16、996，4：25-278刘宇艳,谭惠丰,杜星文.橡胶复合材料疲劳性能研究进展J.纤维复合材料，1997，01:20-25 9 Agari Y, Uno T. Estimation on Thermal Conductivities of Filled PolymerJ. Journal of Applied Polymer Science, 1986, 32(5):705-70810Lewis T, Nielsen L. Dynamic Mechanic Properties of Particulate-filled compositesJ. Journal of Applied Polym
17、er Science, 1970,14(1);449 11 马传国,容敏智,章明秋.聚合物基复合材料导热模型及其应用J. 宇航材料工艺,2003,3:1-412叶昌明,陈永林.热传导高分子复合材料的导热模型、类型及应用J.中国塑料, 2002, 16(12): 14-1713 Agari Y，Ueda A，Nagai S Thermal Conductivity of Composites in Several Types of Dispersion SystemsJJournal of Applied Polymer Science, 1994, 42: 1665-166914 储九荣，张晓
18、辉，徐传骧. 导热高分子材料的研究与应用J. 高分子材料科学与工程, 2000, 16(4):17-2115何燕,马连湘,崔琪.炭黑对轮胎胎面胶热物性的研究J.合成橡胶工业,2007,30(3):211-214玻璃钢/复合材料杂志期刊稿件记录卡 编号： 原稿情况题目炭黑/橡胶复合材料热导率的计算类别A收稿日期2008年10 月 9 日页数 7字数2400图数3照片著译者姓名何燕电话传真单位青岛科技大学（崂山校区）机电工程学院通讯地址青岛市崂山区松岭路69#青岛科技大学（崂山校区）机电工程学院邮编编辑处理位置2008年第 期版面费￥： 元 已交 同意发表 备注联系人：李海涛地址：青岛市崂山区青岛科技大学（崂山校区）352#邮编：Email：电话：0532-、