高速射流场中炭黑在天然胶乳中的微观分散及计算流体力学模拟

聚合物基纳米复合材料制备的关键在于如何控制纳米粒子在基体中的分散。本项目首先利用超声空化作用将炭黑团聚体破碎、切割、分散在水中制得炭黑悬浮液，然后在高速射流场中，炭黑悬浮液被高速射流卷吸到天然胶乳中，在射流边界，由于二者存在极大的速度差，而形成一个湍流混合层，炭黑在湍流拉伸、剪切作用下微观分散到天然胶乳中，成功制备了分散均匀、机械性能及耐磨性能优越的天然橡胶纳米复合材料。着重研究：流体力场中雷诺准数对炭黑在天然橡胶中的微观分散及炭黑/橡胶界面相互作用的影响，为高速射流技术的工艺参数及结构参数提供理论支持；同时采用计算流体力学方法对高速射流场中炭黑与天然胶乳的微观分散进行数值模拟。本项目涉及纳米复合材料、流体力学、界面化学等多个学科，其创新之处在于首次提出将高速射流混合技术应用到纳米复合材料制备领域，工艺简单适合规模化生产；并且提高了炭黑/橡胶界面相互作用，有望解决炭黑对天然胶乳的补强问题。

聚合物基纳米复合材料制备的关键在于如何控制纳米粒子在基体中的分散。本项目拟利用高速剪切作用将炭黑分散到天然胶乳中，并研究炭黑对天然胶乳的补强作用。为此，本项目首先利用超声空化作用将炭黑团聚体破碎、切割、分散在水中制得炭黑悬浮液，然后在高速射流场中，炭黑悬浮液被高速射流卷吸到天然胶乳中，在射流边界，由于二者存在极大的速度差，而形成一个湍流混合层，炭黑在湍流拉伸、剪切作用下微观分散到天然胶乳中，成功制备了分散均匀、机械性能及耐磨性能优越的天然橡胶纳米复合材料。并利用Fluent软件对射流过程进行流体力学模拟，从理论上证明了利用射流技术进行炭黑分散的可行性及其优良效果。近期的研究结果表明，与传统干法工艺相比，射流工艺可以使炭黑更均匀的分散的天然橡胶基体中，并且提高了炭黑/橡胶界面相互作用。采用射流工艺制备的天然橡胶复合材料具有更好的力学性能及耐磨性能。动态力学性能结果表明射流工艺制备的复合材料在0℃左右具有更高的损耗因子，而在60℃左右具有更低的损耗因子。通过实验结果与动力学模型的对比发现，提出的理论模型与实验结果基本相吻合，即射流速度越快，入射角度和扩压角度越大，所得复合材料的力学性能越好。本课题为研究提高炭黑在天然胶乳中的分散及炭黑对天然胶乳的补强机理提供了创新性的方法，并生产了物理机械性能很好的橡胶复合材料，是极具科学价值、且应用前景广阔的原创性前沿课题。