碳纤维是碳质量分数为０．９以上的纤维状碳材料。碳纤维及其复合材料具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、导热、密度小和热膨胀系数小等优异性能，因此它既能作为结构材料，又能作为功能材料，已被广泛应用于航空、航天、交通、体育休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。由于填充热导率高的填料是获取高导热有机基复合材料的常用方法之一，而碳纤维的热导率高达２６Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１，因此为寻找导热填料来提高橡胶导热性能提供了可能的途径。本工作选用碳纤维为导热填料，研究碳纤维用量对碳纤维／顺丁橡胶（ＢＲ）复合材料性能及微观结构的影响。
１ 实验
１．１ 主要原材料
ＢＲ，牌号９０００，中国石化上海高桥分公司产品；碳纤维，粒径为４８μｍ，南京瑞迪森复合材料有限公司产品；防老剂ＲＤ，南京化学工业有限公司化工厂产品；防老剂ＭＢ，南京六合化工厂一厂产品；硬脂酸，上海连康明化工有限公司产品。
１．２ 基本配方
ＢＲ １００，氧化锌 ５，硬脂酸 １．５，防老剂ＲＤ １，防老剂ＭＢ １，硫黄 ２．５，促进剂ＣＺ ０．８，促进剂ＤＭ ０．８，碳纤维 变量。
１．３ 主要设备与仪器
ＳＫ－１６０Ｂ型两辊开炼机，上海橡胶机械厂产品；ＱＬＢ ３５０×３５０×２型２５ｔ平板硫化机，上海第一橡胶机械厂产品；ＭＤＲ－２０００型智能电脑型硫化仪，无锡市蠡园电子化工设备有限公司产品；
ＣＭＴ５２５４型电子万能试验机，深圳市新三思材料检测有限公司产品；邵氏Ａ 型硬度计，江苏明珠试验机械有限公司产品；ＪＳＭ－５６１０ＬＶ 型扫描电子显微镜（ＳＥＭ），日本电子株式会社产品；ＴＳＰ２５００型导热系数测试仪，瑞士Ｈｏｔ Ｄｉｓｋ公司产品。
１．４ 试样制备
１．４．１ 碳纤维的干燥处理
将碳纤维置于１５０℃烘箱中烘４～５ｈ取出。
１．４．２ 碳纤维／ＢＲ复合材料的制备
先在开炼机上加入ＢＲ并使之包辊后依次加入碳纤维、氧化锌、硬脂酸、防老剂、促进剂和硫黄等，填料初步分散后，进行３次薄通打包，确保填料、助剂和ＢＲ混合均匀后从开炼机上取下胶料，在室温下冷却待用。
试样在平板硫化机上进行硫化，硫化条件为１５０℃／１０ＭＰａ×２０ｍｉｎ。
１．５ 测试分析
１．５．１ 硫化特性
硫化特性按ＧＢ／Ｔ ９８６９—１９９７《橡胶胶料硫化特性的测定（圆盘振荡硫化仪法）》进行测试，温度设定为１５０℃。
１．５．２ 物理性能
各项物理性能均按相应国家标准进行测试。
１．５．３ 热导率
先将试样制成厚度为１ｃｍ、直径为６ｃｍ 的圆柱形，然后对试样进行热导率测试。
１．５．４ ＳＥＭ 分析
将试样在液氮中淬断，断面喷金后，观察碳纤维在ＢＲ中的分散和界面结构。
２ 结果与讨论
２．１ 硫化特性碳纤维用量对碳纤维／ＢＲ 复合材料硫化曲线的影响如图１所示。
硫化初期转矩先有一个下降的趋势，这是由于混炼胶受热软化所致。随着硫化时间的延长，大分子链开始发生交联反应，导致转矩逐渐增大。ＭＨ 可以反映硫化胶的最终硫化状态。从图１可以看出，随着碳纤维用量的增大，复合材料的ＭＨ 明显增大。当碳纤维用量小于１００份时，随着碳纤维用量的增大，复合材料的硫化速度基本呈增大趋势；当碳纤维用量大于１００份时，复合材料的硫化速度明显变慢。这是由于碳纤维用量过大时，碳纤维在橡胶基体中不易分散均匀，胶料的粘度增大，流动性能下降，因此硫化速度减缓。
２．２ 门尼粘度
碳纤维用量对碳纤维／ＢＲ 复合材料门尼粘度的影响如图２所示。
从图２可以看出，随着碳纤维用量的增大，复合材料的门尼粘度呈增大趋势。当碳纤维用量超过１００份时，复合材料的门尼粘度急速增大；当碳纤维用量为１２５份时，复合材料的门尼粘度达到６３，说明碳纤维的高用量削弱了复合材料的加工性能。当碳纤维用量过大时，胶料的粘度增大，混炼和硫化成型都较困难。因此从加工性能来看，碳纤维的用量不宜超过１２５份。
２．３ 导热性能
碳纤维用量对碳纤维／ＢＲ 复合材料热导率的影响如图３所示。
从图３可以看出，随着碳纤维用量的增大，复合材料的热导率明显增大。当碳纤维用量从０份增大到１２５份时，复合材料的热导率由０．１９４ ７Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１增大至０．５７２ ２ Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１，增加了１９３％。当碳纤维用量小于５０份时，复合材料的热导率增幅较大。这是由于导热性能优良的碳纤维填充橡胶基体后，当达到某一填充量临界值时，填料开始在ＢＲ中逐渐形成连续的导热网链。随着填料用量的不断增大，填料堆积更加紧密，使得热流通路得到加强。此时高导热的填料在复合材料的热导率中起主导作用，热导率的增幅较大；当填料用量继续增大时，复合材料的热导率增幅减小。这可能是由于碳纤维表面光滑，与橡胶基体的粘合性较差，当填料用量过大时，填料在橡胶基体中的分散性变差，产生大量团聚，此时增大碳纤维的用量对导热网链的贡献已不大，因此复合材料的热导率增幅减小。
Ｒａｙｌｅｉｇｈ分析了垂直于纤维方向上的热障对体系导热性能的影响，推导出纤维填充量与体系热导率之间的关系［９］：
λｃ＝λ１｜１－２Φ／（γ＋Φ－Ｃ１Φ２／γ－Ｃ２Φ２／γ）｜（１）
式中，Ｃ１＝０．３０５ ８；Ｃ２＝０．０１３４；Φ为填料的体积分数；λｃ为复合材料的热导率；γ＝（λ１／λ２＋１）／（λ１／λ２－１），λ１ 和λ２ 分别为聚合物和填料的热导率。
根据Ｒａｙｌｅｉｇｈ模型公式，计算复合材料热导率理论值λｃ。已知λ１ 和λ２ 分别为０．１９５和２６Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１，ＢＲ和碳纤维的密度分别为０．９８和１．７０Ｍｇ·ｍ－３。先根据ＢＲ和碳纤维的密度与填充质量计算出Φ，然后代入公式（１）中计算得到λｃ。Ｒａｙｌｅｉｇｈ模型公式预测的λｃ 与试验所得的复合材料热导率（λ）对比如表１所示。
从表１可以看出，当碳纤维用量不超过１２５份时，预测值λｃ 比实测值λ 略小，其偏差不超过１７％。说明Ｒａｙｌｅｉｇｈ模型公式可以较为准确地预测出纤维状填料／橡胶复合材料的热导率。
与氧化铝填充ＢＲ 胶料［１０］以及绢云母填充ＢＲ胶料［１１］相比，当填料用量为１００份时，碳纤维／ＢＲ 复合材料的热导率为０．５２６ ６Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１，氧化铝／ＢＲ 复合材料的热导率为０．４１９ ０Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１，绢云母／ＢＲ复合材料的热导率为０．４３１ ３ Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１。由此可见，在相同填充量下，碳纤维提高橡胶的导热性能效果最佳。这是由于纤维状填料比粒状和片层状填料更易形成导热链，从而增加了导热通路［１２］。另外，碳纤维的密度明显小于氧化铝和绢云母，在相同用量下，碳纤维的体积分数最大，更易产生堆积，因此碳纤维比氧化铝和绢云母更易形成导热网链。
２．４ 物理性能
碳纤维用量对碳纤维／ＢＲ 复合材料物理性能的影响如表２所示。
从表２可以看出，随着碳纤维用量的增大，复合材料的邵尔Ａ型硬度和拉伸强度逐渐增大，拉断伸长率、拉断永久变形和撕裂强度均先增大后减小。当碳纤维用量为１２５份时，复合材料的邵尔Ａ 型硬度达到７６ 度，比空白试样提高了６８．９％；拉伸强度为２．０５ＭＰａ，比空白样提高了７６．７％。拉断伸长率在碳纤维用量为２５份时达到最大值（２１９％）；撕裂强度在碳纤维用量为５０份时达到最大值，比空白试样提高了１３３％。
２．５ 微观结构
不同用量的碳纤维填充ＢＲ胶料的ＳＥＭ 照片如图４所示。
从图４可以看出，随着碳纤维用量的增大，碳纤维在橡胶基体中堆积得越来越紧密。结合图３以及氧化铝填充ＢＲ胶料［１０］和绢云母填充ＢＲ胶料［１１］的ＳＥＭ 照片可知，在放大倍数相同的情况下，碳纤维粒子呈纤维状，氧化铝呈颗粒状，绢云母呈片层状，且碳纤维的长径比大于绢云母的径厚比和氧化铝的长径比，因此在相同用量下，碳纤维粒子之间更易形成导热网链。当填料用量均为５０份时，如图４（ｃ）所示，碳纤维比氧化铝和绢云母更易彼此接触，形成导热网链，此时碳纤维／ＢＲ复合材料的热导率为０．３７１ ５Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１，大于氧化铝／ＢＲ复合材料的０．２９４Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１和绢云母／ＢＲ复合材料的０．３４６Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１。当填料用量增大到１２５份时，如图４（ｆ）所示，碳纤维粒子产生了大量团聚，此时对形成导热网链的贡献已不大，因此热导率的增幅减小。碳纤维／ＢＲ复合材料微观结构的照片与图３的结果相一致。
３ 结论
（１）随着碳纤维用量的增大，碳纤维／ＢＲ 复合材料的ＭＨ 和门尼粘度增大，加工性能下降。
（２）随着碳纤维用量的增大，碳纤维／ＢＲ 复合材料的热导率明显增大，当碳纤维用量为１２５份时，复合材料的热导率比空白试样提高１９３％。
（３）随着碳纤维用量的增大，碳纤维／ＢＲ 复合材料的硬度和拉伸强度逐渐增大，拉断伸长率、拉断永久变形和撕裂强度均先增大后减小。
鲁ICP备2021047099号