基于碳纳米管/炭黑填料网络协同效应的橡胶复合材料导热机制研究

Based on the synergistic effect of fillers network, the thermal conduction mechanism of the rubber composites filled with hybrid fillers systems of carbon nanotubes and carbon black will be studied by combination of experimental research and theoretical analysis methods.The relationship of thermal conductivity of the composites with fillers varieties, aspect ratio, fillers content and mixing ratio will be explored.The relationship of the synergistic effect of fillers network with the structure, specific area, aspect ratio, surface morphology, surface functional groups, and the mixing ratio of the hybrid fillers will be studied, and the microscopic mechanism of heat transfer will be recognized. The function modification methods of carbon nanotubes aimed to achieve synergy thermal network of hybrid fillers systems will be explored.The nano fillers filled rubber composites will be prepared, and the microstructure of the fillers and composites will be characterized.The thermal conductivity of the rubber composites will be tested, and the basic data of thermal conductivity under different temperature will be obtained.It aims to grasp the thermal conduction mechanism of carbon nanotube/carbon black filled rubber composites, and to recognize the heat transport mechanism of phonon in rubber composites filled with hybrid nanofillers. The results will provide a scientific basis for preparation of high thermal conductivity of carbon nanotube / carbon black filled rubber composites.The research has significant scientific significance and application value.In this project, thermal science and materials science will be combined, and it will promote the development of related cross disciplines.

本项目从填料网络的协同效应出发，采用实验研究和理论分析相结合的方法，开展碳纳米管与炭黑混合填充橡胶复合材料的导热机理研究，探索填料的品种及纵横比等性质参数，用量和混合比率等与复合橡胶导热性质的关联性规律；揭示填料的结构性、比表面积、纵横比、表面形貌、表面官能团、混合比率等与填料网络协同效应的内在联系，认识热量传输的微观机制；探索碳纳米管的功能化改性方法，实现混合填料的导热网络协同；制备纳米填料混合填充橡胶复合材料，对填料及复合材料的微观结构进行表征；完成导热性质的测试，获得不同温度下导热性质的基础性数据。旨在从机理上掌握碳纳米管/炭黑混合填充橡胶复合材料的导热规律，认识纳米填料混合填充橡胶复合材料内部声子的热量传输机制，为制备高导热碳纳米管/炭黑混合填充橡胶复合材料提供科学依据，科学意义和应用价值显著。研究工作将热学与材料学相结合，促进了相关学科的交叉与发展。

基于填料网络协同效应，围绕功能化改性、填料特性、用量、配比等方面开展复合橡胶导热机制研究。结果表明，4种碳纳米管功能化改性方法均可有效提高复合橡胶性能尤其是导热性，其中一种方法使得5phr碳纳米管填充胶的导热性能相比于未改性提高近12%，且力学性能优异。随碳纳米管填充量增加，性能提升效果越明显。功能化改性还可有效改善橡胶的加工性能，相比于未改性碳纳米管最大填充份数10phr,改性碳纳米管的填充份数可达20phr，这对于制备高性能复合材料至关重要。炭黑的结构性对于复合橡胶性能有重要影响，结构性越高，复合橡胶的性能越好。随着碳纳米管在混合填料中配比的增加，复合橡胶的导热性能不断提高，但增加到一定量时出现下降。在保证填料良好分散的前提下，导热性能随填料量的增加持续增加。两种不同结构性炭黑混合填充的复合橡胶性能有很好的协同效应。微观机理研究表明，功能化改性有效改善碳纳米管在橡胶基体内的分散，且促进炭黑的分散，炭黑的团聚体尺寸也大大降低，碳纳米管桥接炭黑,两种填料共同均布构建良好的三维填料网络。因填料团聚引起的声子散射大大减少，接触热阻和界面热阻减少，且良好三维网络更利于载荷传递。橡胶基体对填料的良好润湿使得碳纳米管的可填充量增加。炭黑的结构性越高，在基体内链枝状越丰富，分散越好。炭黑的良好分散促进碳纳米管的分散，结构性最高的炭黑胶中，碳纳米管几乎成单根呈现，少有团聚体。可见，复合橡胶的性能与填料网络在基体内的协同效应密切相关，两种填料分散性相互影响。分散越好，填料聚集尺寸越小。填料网络的协同使得接触热阻和界面热阻小，有利于声子传递。研究结果可为制备高性能橡胶复合材料提供科学依据。