何 燕,柯順魁,馬連湘,王 偉(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島266061)
作者簡(jiǎn)介:何燕(1973-),女,副教授,博士,研究方向?yàn)椴牧蠠嵛镄约皽囟葓?chǎng)研究。
熱學(xué)性質(zhì)是橡膠重要的物理性能之一,它在確定橡膠的加工條件,估算應(yīng)用時(shí)橡膠制品的生熱和使用壽命以及把橡膠用作絕熱材料時(shí)都有十分重要的實(shí)用價(jià)值[1]。不僅壓力、分子量、聚合物形態(tài)等因素的改變會(huì)影響橡膠的熱學(xué)性質(zhì),而且溫度、炭黑品種及炭黑填充量也會(huì)改變其物理性能[2]。熱擴(kuò)散系數(shù)是表征橡膠熱物性性能的一個(gè)重要指標(biāo),它能夠反映材料導(dǎo)熱能力與貯熱能力之間的關(guān)系,是描述不存在熱源和對(duì)流時(shí)非穩(wěn)態(tài)溫度分布的一個(gè)參數(shù)[3]。多年來人們從溫度對(duì)硫化膠熱擴(kuò)散性能的影響進(jìn)行了廣泛的研究[4-6],也設(shè)計(jì)了一些新型測(cè)量?jī)x器來測(cè)其熱物性性能[7-8]。雖然目前已有人從復(fù)合材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的角度來研究材料的熱物性[9-11],但對(duì)于各種填料對(duì)膠料熱物性性能的影響研究較少。炭黑作為重要的補(bǔ)強(qiáng)材料,其品種及用量的變化必然會(huì)對(duì)硫化膠的熱擴(kuò)散性能產(chǎn)生重要影響。本文通過改變N234和N539兩種炭黑用量來研究熱擴(kuò)散性能,并對(duì)其進(jìn)行了分析。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 原材料
馬來西亞進(jìn)口天然膠,N330,白炭黑,偶聯(lián)劑,活性劑,防老劑,增塑劑,防焦劑,硫磺促進(jìn)劑。
1.2 實(shí)驗(yàn)配方
SMR20 100,白炭黑15,炭黑變量,偶聯(lián)劑1.5,活性劑4.5,增塑劑1.0,防老劑0.5,硫化體系4.0。
1.3 試樣制備
生膠按傳統(tǒng)工藝進(jìn)行混煉、硫化后,壓制成厚度為1.5~2 mm的片,放置8 h。測(cè)試時(shí)將膠料切成直徑為12.5~12.7 mm的圓形薄片,保證試件上下表面光滑、平整。
1.4 裝置及原理
所用測(cè)試儀器為L(zhǎng)FA 447型激光導(dǎo)熱儀[12-15]以及DISP-ERGRADER 1000NT炭黑分散度儀[16]。
1.5 測(cè)試條件
測(cè)試溫度范圍為30℃~140℃,每間隔10℃測(cè)量一次,氣氛為氮?dú)?循環(huán)水冷卻
2 結(jié)果及分析為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量3次,取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
2.1 炭黑品種對(duì)熱擴(kuò)散系數(shù)的影響及分析
在30℃~140℃的溫度范圍內(nèi),分別選取炭黑填充量為30,35,40,45份時(shí),N234和N539填充硫化膠的熱擴(kuò)散系數(shù)對(duì)比曲線如圖1所示。
從圖1中可以看出,在兩種炭黑填充條件下,硫化膠熱擴(kuò)散系數(shù)均隨著溫度的增加呈現(xiàn)出線性遞減的變化趨勢(shì)?？傮w上講,N234炭黑填充膠的熱擴(kuò)散系數(shù)要高于N539炭黑填充膠的熱擴(kuò)散系數(shù)。這一現(xiàn)象可從炭黑的性質(zhì)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性來進(jìn)行分析。
炭黑是烴類不完全燃燒或熱解制得的具有高度分散性的黑色粉末狀物質(zhì),主要由元素碳組成,是近乎球形的膠體粒子,這些粒子大都熔結(jié)成各種不規(guī)則的聚合體。表1所示為N234和N539兩種炭黑標(biāo)準(zhǔn)[17-18]。如表1所示,相對(duì)于N539炭黑,N234炭黑的粒徑較小,比表面積較大,而結(jié)構(gòu)性較低。表面積越大,炭黑凝膠量增多,橡膠分子網(wǎng)上的分子鏈“掛”在炭黑納米結(jié)構(gòu)上增多,橡膠分子的束縛性增強(qiáng),炭黑對(duì)距離相當(dāng)遠(yuǎn)的分子也有影響,兩者結(jié)合越緊密,而由固體聚合物的熱傳導(dǎo)機(jī)制可知,橡膠鏈端分子更易感應(yīng)到由原子誘發(fā)的晶格波的振動(dòng),所以膠料的導(dǎo)熱性能增強(qiáng);膠料的導(dǎo)熱性能越好,膠料內(nèi)部溫度的傳播速度越快,各點(diǎn)的溫差越小,導(dǎo)致其熱擴(kuò)散能力增強(qiáng)。這種分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果正好相吻合。
2.2 炭黑填充量對(duì)熱擴(kuò)散系數(shù)的影響及分析
圖2a和圖2b是在30℃~140℃的溫度范圍內(nèi),熱擴(kuò)散系數(shù)隨著炭黑填充量的變化情況。圖2c和圖2d為截取了40℃,60℃,80℃和120℃4個(gè)典型溫度點(diǎn)來描述熱擴(kuò)散系數(shù)隨炭黑填充量的變化情況。一般來講,純炭黑的熱擴(kuò)散性能要明顯好于純橡膠的熱擴(kuò)散性能。隨著炭黑填充量的增加,炭黑分子掛在橡膠分子網(wǎng)鏈上數(shù)目增多,在熱量傳遞過程中炭黑分子起到重要作用,故表現(xiàn)出較好的熱擴(kuò)散性能,所以如圖2所示,溫度相同時(shí),隨著炭黑填充量的增加,熱擴(kuò)散系數(shù)總體上呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。
由圖2c中可以看出,當(dāng)N234炭黑填充份數(shù)為30~40份時(shí),膠料的熱擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)出較好的線性增加關(guān)系,當(dāng)炭黑份數(shù)為65份時(shí),呈現(xiàn)出最佳的熱擴(kuò)散性能。由圖2d中可以看出,當(dāng)N539炭黑填充量分別為30~40份時(shí),膠料的熱擴(kuò)散系數(shù)曲線線性遞增;當(dāng)填充量為60份時(shí),膠料表現(xiàn)出最優(yōu)的熱擴(kuò)散性能,隨后其熱擴(kuò)散系數(shù)曲線開始下降,并有持續(xù)下降的趨勢(shì)。
從圖2c、圖2d還可以看出,當(dāng)炭黑填充量大于40份后,N234、N539炭黑填充的膠料熱擴(kuò)散性能均有所下降,但具體的下降區(qū)間不同。N234炭黑填充硫化膠熱擴(kuò)散系數(shù)的下降區(qū)間是40~45份,N539炭黑填充硫化膠熱擴(kuò)散系數(shù)的下降區(qū)間是40~50份,而后按照炭黑填充硫化膠熱物性變化規(guī)律繼續(xù)上升。圍繞著熱擴(kuò)散性能的突然下降,為了排除偶然性因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,筆者重新對(duì)膠料進(jìn)行混煉、硫化,重新對(duì)其進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果發(fā)現(xiàn),第二、三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。這一結(jié)果可從混煉過程中炭黑在橡膠中的分散度和包容膠的生成情況來加以說明。
一般說來,如果炭黑在橡膠中的分散程度較好,形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越均勻,就會(huì)形成越好的導(dǎo)熱通道,則熱量傳遞的越快,材料的熱擴(kuò)散性能就會(huì)越好。從分散度實(shí)驗(yàn)結(jié)果(如圖3和圖4所示)可知,填充N234炭黑40份時(shí)的分散度大于填充45份時(shí)的分散度,填充N539炭黑40份時(shí)的分散度大于填充45份和50份時(shí)的分散度。炭黑分散度較差的可能原因是,在混煉的過程中有些炭黑分子被橡膠分子包圍起來,形成了包容膠。這樣分散到橡膠中的炭黑數(shù)量就會(huì)大大減少,炭黑之間不能形成較好的導(dǎo)熱通道,致使導(dǎo)熱性能降低,熱擴(kuò)散性能變差,為此才出現(xiàn)了如圖2所示膠料的熱擴(kuò)散性能有所下降的變化趨勢(shì)。由此可見,炭黑的分散性對(duì)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成至關(guān)重要。因此,在橡膠混煉的過程中,應(yīng)采取適當(dāng)?shù)墓に囀固亢谠谙鹉z基體中更好的分散,以便獲得較好的導(dǎo)熱通道,提高其熱擴(kuò)散性能。
3 結(jié)論
1) 在炭黑填充量不變的情況下,硫化膠的熱擴(kuò)散性能隨著炭黑品種的變化而變化。炭黑的粒徑和比表面積是影響硫化膠熱擴(kuò)散性能的兩個(gè)微觀因素,炭黑的粒徑越小,比表面積越大,膠料的熱擴(kuò)散系數(shù)越大。
2) 炭黑分散度和包容膠的存在直接影響硫化膠的熱擴(kuò)散性能,分散度越好,炭黑之間越容易形成導(dǎo)熱通道,膠料的熱擴(kuò)散性能就越好。
致謝:在研究工作進(jìn)行的過程中,筆者得到了青島科技大學(xué)橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室辛振祥教授和鄧濤副教授的幫助,現(xiàn)表示衷心的感謝!
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