炭黑用量及硫化對(duì)橡膠導(dǎo)熱系數(shù)的影響
炭黑用量及硫化對(duì)橡膠導(dǎo)熱系數(shù)的影響 |
| 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。硫化是橡膠與配合劑分子重組的過程，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，SBR171260，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LFA447NanoflashTM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*大值的一半所需的時(shí)間)t90。(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=αO×CP×P (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8h。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12.5-12.7mm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0.02mm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3.5h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(略)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(略)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。 表1 炭黑含量為70份時(shí)硫化前后橡膠導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比差值
表2 炭黑含量為75份時(shí)硫化前后橡膠導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比差值
表3 炭黑含量為80份時(shí)硫化前后橡膠導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比差值
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。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
