崔　琪,　張方良,　何　燕,　馬連湘(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島266061)

摘要:　利用閃光導(dǎo)熱分析儀LFA 447 NanoflashTM測(cè)量了橡膠的導(dǎo)熱系數(shù),研究了炭黑用量及硫化對(duì)橡膠導(dǎo)熱系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)炭黑用量在高范圍變動(dòng)時(shí),混煉膠的導(dǎo)熱系數(shù)隨其用量的增加而降低;混煉膠的導(dǎo)熱系數(shù)大于硫化橡膠。

關(guān)鍵詞:　橡膠;硫化;炭黑;導(dǎo)熱系數(shù);溫度

中圖分類號(hào):TQ 330. 1+5; TQ 330. 1+3　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B　文章編號(hào):1671-8232(2008)02-0017-03

0　前　言

橡膠熱物理性能的研究對(duì)于橡膠的加工及成品的使用均有極其重要的影響,導(dǎo)熱系數(shù)是其中一個(gè)重要指標(biāo)。目前人們主要在溫度、結(jié)晶度及晶體取向等方面對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了一系列的研究[1]。硫化是橡膠與配合劑分子重組的過程[2],隨著硫化的進(jìn)行,橡膠的導(dǎo)熱特性也會(huì)隨之改變。炭黑是橡膠重要的填充劑,其填充量的改變對(duì)橡膠導(dǎo)熱特性的影響也不容忽視。本文采用閃光導(dǎo)熱儀測(cè)量了硫化前后N115炭黑用量改變條件下橡膠的導(dǎo)熱系數(shù),針對(duì)炭黑及硫化這兩個(gè)因素的影響做了一系列研究,以期對(duì)橡膠實(shí)際的加工、生產(chǎn)有所助益。

1　實(shí)　驗(yàn)

1. 1　原材料(質(zhì)量份)

SBR1502 20, SBR1712 60, BR9000 20,N115炭黑變量,其它配合劑為橡膠輪胎工業(yè)胎面膠常用助劑。

1. 2　實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用閃光導(dǎo)熱分析儀LFA 447NanoflashTM對(duì)熱擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。該導(dǎo)熱儀使用氙燈作為加熱源加熱樣品表面,使用紅外探測(cè)器讀取樣品溫升,減少了潛在的表面熱阻。

1. 3　實(shí)驗(yàn)原理

在一定的設(shè)定溫度T(恒溫條件)下,由激光源(或閃光燈)在瞬間發(fā)射一束光脈沖,均勻照射在樣品下表面,使用紅外探測(cè)器測(cè)量樣品上表面中心部位的相應(yīng)溫升過程,得到溫度升高對(duì)時(shí)間的關(guān)系曲線。通過半升溫時(shí)間(在接收光脈沖照射后樣品上表面溫度升高到最大值的一半所需的時(shí)間)t50(或稱t1/2),由下式:

α=0.1388×d2/t50(1)

即可得到樣品在溫度T下的熱擴(kuò)散系數(shù)α。式中, d為試樣的厚度。

導(dǎo)熱系數(shù)λ由下式求得:

λ=α×Cp×ρ(2)

式中,Cp為橡膠的比熱;ρ為橡膠的密度。比熱是通過試樣與參比樣品比較求得的。密度由微電腦比重材料天平測(cè)得。

1. 4　試樣制備

使用S(X)160A型雙輥筒煉膠機(jī),將生膠及配合劑混煉,取部分壓制成厚度1. 5~2 mm的膠片,放置8 h。其他膠料放入HS-100T-FT-MO-2RT型平板硫化儀進(jìn)行硫化。硫化條件為160℃×15 min。

測(cè)試時(shí)將膠料切成直徑為12. 5~12. 7 mm的圓形薄片,且保證試樣上下表面光滑、平整。

1. 5　實(shí)驗(yàn)步驟

(1)實(shí)驗(yàn)前半小時(shí),向儀器里倒入適量液氮,調(diào)節(jié)外接循環(huán)水控制儀,設(shè)置溫度使其高于室溫2~3℃,預(yù)熱儀器。

(2)用精度為0. 02 mm的游標(biāo)卡尺對(duì)試件的厚度進(jìn)行三次測(cè)量,取其平均值作為試樣的厚度。

(3)用酒精將試樣擦拭干凈,晾干。在試樣的上下表面進(jìn)行均勻的石墨鍍層。

(4)將試樣放入樣品孔,打開測(cè)量軟件,設(shè)置參數(shù),開始測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)過程中每隔3. 5 h灌一次液氮。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉所有電源。

1. 6　實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)改變膠料中N115炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù): 70、75、80。測(cè)試溫度為25~60℃。

2　結(jié)果與討論

2. 1　炭黑用量對(duì)硫化前橡膠導(dǎo)熱特性的影響圖1是在橡膠硫化前炭黑含量為70、75、80的條件下,溫度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高大體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),并且隨著炭黑用量的增加而有所降低。

以往的研究,在炭黑含量少的情況下,導(dǎo)熱系數(shù)隨炭黑用量的增加而增大。從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,當(dāng)炭黑的含量在高范圍變動(dòng)時(shí),橡膠的導(dǎo)熱特性反而有所降低。分析原因如下:我們知道,炭黑自身的導(dǎo)熱特性要高于橡膠,炭黑粒子間是以范德華力相互吸引的,穩(wěn)定性差。但在炭黑與橡膠混煉后,其形態(tài)特征以及橡膠的鏈結(jié)構(gòu)會(huì)受到剪切力的破壞,炭黑自身的導(dǎo)熱性能降低。但是隨著炭黑的含量從70增加到80份,炭黑填充到單位體積橡膠中的數(shù)量增多,在混煉的過程中產(chǎn)生的剪切力也越來越大聚集體的形態(tài)特征受到的破壞程度也就隨之大大增加。當(dāng)由于聚集體結(jié)構(gòu)的破壞對(duì)導(dǎo)熱的影響大于炭黑自身對(duì)其的影響時(shí),就會(huì)出現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果。

2. 2　硫化對(duì)橡膠導(dǎo)熱特性的影響

圖2、3、4分別是炭黑填充量為70、75、80份時(shí),硫化前后橡膠導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系圖。表1、2、3為炭黑含量為70、75、80份時(shí),硫化前后橡膠導(dǎo)熱系數(shù)具體的對(duì)比差值。通過對(duì)比可以看出,硫化前橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)要大于硫化后的,且炭黑含量為70份時(shí),兩者的差值在0. 007~0. 041之間;炭黑含量為75份時(shí),兩者的差值在-0. 001~0. 028之間;炭黑含量為80份時(shí),兩者的差值在-0. 006~0. 008之間。可見隨著炭黑用量的增加,硫化前后橡膠導(dǎo)熱系數(shù)的差距逐漸減小。

這可能是因?yàn)橄鹉z在未經(jīng)硫化以前,單個(gè)分子之間沒有產(chǎn)生交聯(lián),分子成鏈狀結(jié)構(gòu),經(jīng)過硫化后,分子之間產(chǎn)生交聯(lián),形成牢固的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),粒子間作用力主要是牢固的化學(xué)鍵力。熱傳導(dǎo)的實(shí)質(zhì)是由于微觀粒子的相互作用和相互碰撞,微觀粒子間作用力增大,其運(yùn)動(dòng)的阻力就隨之增大,從而導(dǎo)致橡膠的導(dǎo)熱性能降低。炭黑的用量增大,炭黑在橡膠中所占的比例增加,因?yàn)樘亢谧陨砭褪蔷W(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而從整體上降低了橡膠分子交聯(lián)對(duì)其導(dǎo)熱性能的影響,硫化前后的導(dǎo)熱系數(shù)的差值隨炭黑用量的增加而逐漸減小。

3　結(jié)　論

(1)橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。當(dāng)炭黑的含量在高范圍變動(dòng)時(shí),硫化前橡膠的導(dǎo)熱特性隨著炭黑用量的增加而降低。

(2)將硫化前后橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),硫化前橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)大于硫化后的,且兩者的差值隨炭黑用量的增加而降低。