橡胶导热配方设计论文
橡胶导热配方设计论文 1．实验 1．1试验仪器与设备 XK-160开炼机，湖州橡机厂产品；F370密炼机，大连冰山橡塑股份有限 公司产品；
C200E硫化仪，北京友深电子仪器厂产品；
50T平板硫化机，湖州橡 机厂产品；
电子拉力机，广西师大产品。
1．2原材料与试验配方 NR，国产；
SBR1500，吉化公司产品；
BR9000，上海高桥石化公司产品；
N330炭黑，上海卡博特炭黑厂产品；
N220炭黑，富春江化工有限公司产品；
TB 系列导热增强剂，大连天宝化学工业有限公司产品；
微晶石墨，湖南郴州石墨厂 产品；
其余材料均为正常市购原材料。
表一试验配方之一 ２结果与讨论 2.1填充型硫化橡胶热传导机理探讨 常用的橡胶填料根据其形状,可分为粉状、纤维状及片状，其硫化橡胶的 导热模型依其形状可分为三种：
（1）粉状填料体系模型：该模型由AgariY等人提出，它适用于粉状的高 填充量的填料体系，其原理为粒子间彼此接触发生团聚甚至形成导热链。该模型 不仅考虑了填料本身的因素也考虑了聚合物的影响。表达公式为：
lgλ=φC2lgλ2+(1-φ)lg(C1λ1)，式中，λ为复合材料的导热系数，λ1和λ2分别为聚合 物和填料的导热系数，φ为填料的体积分数，C1为影响结晶度和聚合物结晶尺寸 的因子，C2为形成粒子导热链的自由因子。1≥C2≥0，它体现了形成导热链的难 易程序。粒子越容易形成导热链，对复合材料导热性的影响越大，C2就越接近1。
（2）纤维状填料模型：该模型也由AgariY等人提出，适用于纤维状的填 料体系。该模型在研究碳纤维填充聚乙烯复合材料的导热性时，得到了进一步完 善，使其能够应用于各种长径比纤维充复合材料导热系数的预测。公式如下：lgλ=φ[Clg(L/D)+E]lgλ2+（1-φ）lg(C1λ1)，式中，L/D为纤维长径比，C和 E是与纤维种类和分散体系种类有关的常数。
（3）片状填料模型：该模型由HattaH等人提出，可预测片状填料复合材 料的导热性，公式为：λ/λ1＝1+φ/[S(1-φ)+λ1/(λ2-λ1)]，式中，S依赖于导热系数 测量的方向：当沿平面测量材料的导热系数时，S＝πd/4X；
当测量厚度方向上的 导热系数时，S＝1-πd/2X(d为片状填料的有效直径，X为片状填料的厚度)根据硫 化橡胶的三种导热模型，我们可以认为，填料自身的导热性能及其在基体中的分 布形式决定了橡胶制品的导热性能，而橡胶基本材料的导热性能也有着不可忽视 的影响。选择适当的填料和适宜的工艺是制取高性能导热橡胶的关键。
一般而言，橡胶基体中基本上没有热传递所需要的均一致密的有序晶体结 构或载荷子，导热性能较差。作为非晶体的橡胶的导热机理是依靠无规排列的分 子或原子围绕某一固定位置的热振动，将能量依次传给相邻的分子或原子。其导 热性能对温度的变化有依赖性，随着温度升高，可以发生更大基团或链节的振动， 导热性增强。另外，橡胶基体的导热性还取决于分子内部的结合紧密程度，除了 本身结合紧密外，也可用外界的定向拉伸或模压提高导热性。橡胶基体的导热性 也随其相对分子质量、交联度和取向度的增大而增强。BhowmickT研究了6种线 形弹性体的导热性与温度的关系，结果表明，在60-300K范围内，它们的导热系 数随着温度的升高而增大，在玻璃化温度附近达到最大值后下降，在290K时达 到平衡。橡胶重复单元上侧基的相对分子质量越大，其导热系数越大，反之则越 小。
由于橡胶基体的导热性能较差，因此，导热橡胶配方的研究也主要集中在 导热填充体系的研究上，这也是本工作的主要内容。
2．2不同填充剂对橡胶基方物理机械性能和导热性能的影响 导热复合橡胶的导热性能最终由橡胶基体和填料的综合作用决定。无论是 粒子还是纤维形式，填料自身的导热性都远大于基体材料。当填充量较小时，填 料粒子能够均匀地分散在体系中，之间没有接触和相互作用，此时填料对于整个 体系的导热性贡献不大。当填充量达到一定数值时，填料粒子之间开始有了相互 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。这些导热网链的 取向与热流方向平行时，能在很大程度上提高体系的导热性。这类似于一个简单 的电路，当两个不同阻值的电阻并联在一起时，在一定的电压下，阻值越小的电 阻对于电路中总电流的贡献越大。体系中基体和填料可以分别看作为两个热阻，显然基体本身的导热性很差，相应的热阻就很大，而填料自身的热阻非常小。但 是体系中如果在热流方向上未形成导热网链，使得基体热阻和填料热阻之间是串 联关系，则在热流方向上的总热阻很大，最终导致体系的导热性较差。而当热流 方向上形成导热网链后，填料形成的热阻大大减小，基体热阻和填料热阻之间有 了并联关系，这样导热网链对于整个体系导热性起了主导作用而大大提高了体系 的导热性。为获得高导热性体系，如何利用各种手段以使体系中的导热网链最大 程度地形成从而达到有效热传导是应考虑的关键问题。
填料导热能力取决于填料最终的颗粒形状和大小、表面特性、本身的导热 性以及其导热性随温度、湿度、压力的变化等因素。在同样的体积分数和导热系 数下，纤维状填料可赋予基体更高的导热性。但由于纤维复合材料一般很难达到 较高的填充系数，因此其应用较球形填料少。
有研究表明，纳米材料的应用为导热配方的设计提供了良好的条件，但目 前纳米材料大部分还处于研究开发阶段，且使用成本也十分高，因此，本工作还 是把重点放在常用的橡胶助剂与材料上。
表一是不同填料对橡胶基方物理机械性能的贡献，从表一中我们可以看到， N220炭黑是所有试验材料中补强性能最好的填料，300%定伸应力达到18.5Mpa， 拉伸强度达到26.6Mpa，但导热性能不是十分理想，因此，设计导热配方时，N220 仅仅作为补强剂使用；
ZｎO、Fｅ2O3、、AI2O3不仅没有补强性能，导热性能 也不理想，见图一，因此，在进一步设计导热配方时，可以排除使用上述材料的 可能；
微晶石墨的导热性能虽然比ZｎO、Fｅ2O3、、AI2O3稍好，但补强性能 很差，显然也无法作为橡胶的补强剂使用；
从表一、图一我们注意到，导热增强 剂TB-1不仅具有最好的导热性，其对橡胶的补强性也十分理想，表一显示，300% 定伸应力达到9.4Mpa，拉伸强度达到20.0Mpa，可以说能基本满足设计导热配方 时材料性能要求；
导热增强剂TB-2对橡胶的补强性也十分理想，300%定伸应力 达到15.3Mpa，拉伸强度达到24.6Mpa，但导热性能表现得不如TB-1，因此，我 们在设计导热配方时也剔除了使用TB-2。
从表一不同填料橡胶基方的物理机械性能并结合其导热特性，本工作优选 出TB-1导热增强剂作为设计导热橡胶配方的导热助剂。
2．3导热增强剂TB-1对橡胶复合材料导热性能的影响 2．3．1不同配方硫化橡胶导热系数随温度的变化图3是用部分导热增强剂代替半补强炭黑的硫化橡胶在70～130℃温度下 测得的导热系数，从图中可以看到，二配方的导热系数都随温度的升高而增大， 这一现象与前述的导热机理相符；
有实际意义的是，使用10份导热增强剂代替半 补强的胎侧胶，其导热系数值比不用导热增强剂的胎侧胶的导热系数值提高了 40%左右。
2．3．2不同配方硫化橡胶比热随温度的变化 图四是用部分导热增强剂代替半补强炭黑的硫化橡胶在70～130℃温度下 测得的比热数据，从图中可以看到，二配方的比热都随温度的升高而增大，使用 10份导热增强剂代替半补强的胎侧胶，其比热比不用导热增强剂的胎侧胶的比热 高。
2．3．3不同配方硫化橡胶热扩散系数随温度的变化 图二是用部分导热增强剂代替半补强炭黑的硫化橡胶在60～150℃温度下 测得的热扩散系数，从图中可以看到，二配方的热扩散系数都随温度的升高而减 小；
有价值的是，使用10份导热增强剂代替半补强的胎侧胶，其热扩散系数值比 不用导热增强剂的胎侧胶的热扩散系数值提高了6%左右。
2．3．4导热增强剂TB-1对轮胎胎侧胶物理机械性能的影响 表二是部分导热增强剂TB-1代替半补强炭黑的胎侧配方，从表二中我们可 以看到，胎侧胶中使用10份或20份导热增强剂TB-1，对胎侧胶的物理机械性能几 乎没有影响，从表二中可以看到，1#～3#配方无论是物理性能还是混炼胶的特性， 出乎意料的出奇的一致，如300%定伸应力，1#配方为15.4Mpa，2#、3#配方均为 14.7Mpa；
拉伸强度1#配方为27.1Mpa，2#、3#配方则分别为28.7Mpa和27.8Mpa， 可以说导热增强剂TB-1完全可以代替部分半补强炭黑用于胎侧配方中。从表五中 可以看到，使用导热增强剂TB-1的胎侧胶的天候老化性能略优于不用导热增强剂 TB-1的胎侧胶，特别是使用导热增强剂TB-1的胎侧胶天候老化后表面颜色不会 发生变化，而不用导热增强剂TB-1的胎侧胶天候老化后表面颜色略呈红色，这一 特征可能与导热增强剂TB-1与防老剂的亲和力比较好防老剂在胎侧胶中不易迁 移有关。
有意义的是，使用导热增强剂TB-1后的胎侧胶的热扩散系数、导热系数、 比热比不用导热增强剂的胎侧胶大，见图二、图三、图四，这一些特性验证了本工作欲提高胎侧胶导热性能的可行性。
2．3．5导热增强剂TB-1对轮胎胎体胶性能的影响 表三是部分导热增强剂TB-1代替N330炭黑的胎体配方，从表三中我们可 以看到，胎体胶中用10份、15份导热增强剂TB-1代替N330炭黑，对胎体胶的物 理机械性能影响很小，300%定伸应力、拉伸强度、扯断伸长率十分接近；
从混 炼胶的硫化特性数据我们可以看到，使用了导热增强剂的胎体胶2#、3#配方，混 炼胶的焦烧时间比不用导热增强剂的1#配方长，这一点显然对胎体配方设计十分 有利；
虽然用导热增强剂TB-1代替部分N330炭黑后的2#、3#配方的扯断强度低 于不用导热增强剂的1#配方，但2#、3#配方的扯断强度还是大大高于正常生产配 方扯断强度，此外，从表三还可以看到，使用了导热增强剂的2#、3#配方，其与 骨架材料帘线的附着强度明显高于正常生产用配方，因此，将导热增强剂TB-1 应用于轮胎胎体配方中是可行的。
2．3．6导热增强剂TB-1对水胎胎体胶性能的影响 表四是水胎配方中用25份导热增强剂TB-1等量代替半补强炭黑后物理机 械性能，从表中可以看到，8#、9#二个配方的性能十分接近，而与实际使用的低 成本水胎配方比较，则使用导热增强剂TB-1的9#试验配方，其各项物理性能明显 高于实际使用的低成本水胎配方，显然，用部分导热增强剂代替半补强炭黑应用 于水胎配方中是完全可行的。
令人兴奋的是，使用导热增强剂TB-1的试验配方，其传热速度明显比正常 生产使用的水胎配方高，从图五可以看到，在19mm厚的试验胶板的一面施加 162℃的热源后，13分钟后至试验结束，二配方的传热温度差达13℃～10℃，很 明显，本工作中使用导热增强剂TB-1的试验水胎配方的传热速度快，在轮胎硫化 时能缩短水胎的传热时间，因此，在本工作的后阶段，我们为验证导热水胎配方 对硫化传热的积极影响，制作了试验水胎进行实际硫化测温，见图六，从图中可 以看到，试验水胎硫化时的温度比正常水胎高5~10℃，根据阿累尼乌斯公式，硫 化温度提高10℃，可使硫化速度提高一倍，因此，尽管导热水胎配方对实际使用 的水胎传热温度只提高了5~10℃，但对橡胶企业而言其潜在的利益是明显的，它 可以作为轮胎生产厂家缩短硫化时间、提高生产效率、降低能耗的重要参考依据。
3．结论导热增强剂TB-1对橡胶具有较高的补强性，其填充橡胶对导热性能也有很 好的贡献，是目前较为理想的导热型橡胶补强助剂。
通过配合TB-1导热增强剂，可以提高硫化橡胶的导热性能，对提高应力应 变频率较高的橡胶制品的使用寿命特别是安全性有较好的帮助作用；
在厚橡胶制品中使用导热增强剂TB-1，可以避免或减轻在硫化过程中表面 过硫而中心欠硫的现象，对提高厚橡胶制品的使用质量十分有利；
轮胎硫化水胎中应用导热配方，可以提高水胎的传热速度，减小水胎传热 时的温度梯度，因而可以缩短硫化时间，提高硫化效率，降低能耗；
导热配方可以应用于载重汽车轮胎的胎侧胶和内层胶中，胎侧胶和内层中 使用部分导热增强剂，可以将轮胎在行驶过程中产生的热量较快地从内部引导到 轮胎的表面，对提高载重轮胎的使用寿命特别是轮胎的使用安全性十分有利，导 热增强剂的使用比例，胎侧胶宜选择5~15份，内层胶宜选择5~10份；
导热增强剂具有一定的耐光性和耐臭氧性，轮胎胎侧胶配合部分导热增强 剂后，轮胎的耐天候老化性能有一定的提高，特别是导热增强剂能减缓防老剂 6PPD向胎侧表面迁移，因此，对提高轮胎外观色泽的美观程度十分有利。
论文关键词：橡胶导热助剂导热配方热扩散系数 论文摘要：本工作探讨了不同橡胶填充剂的导热机理，并通过对不同橡胶 填充剂导热性能的比较研究，优选出了比较理想的橡胶补强导热助剂。本工作在 优选出导热助剂的基础上进行了橡胶导热配方的研究，得到了比较理想的导热橡 胶配方。本工作表明，应用了导热配方的硫化橡胶传热速度明显加快，特别是应 用了导热增强剂的成品水胎传热效率明显提高，实际测温数据表明，同条件硫化 时，温度提高5℃~10℃，从而大大提高了硫化效率降低了能耗。