何 燕 馬連湘 崔 琪(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266061)
摘要：研究了炭黑品種和用量對(duì)輪胎胎面膠熱擴(kuò)散系數(shù)(α)、導(dǎo)熱系數(shù)(λ)及比熱容(C)3種熱物性參數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著炭黑填充量的增加，胎面膠的α及λ均逐漸增大，C逐漸減小。炭黑的結(jié)構(gòu)性對(duì)胎面膠α的影響程度大于炭黑的粒徑;溫度相同時(shí)，炭黑的結(jié)構(gòu)性越高，其填充胎面膠的α越大;隨著炭黑填充量的增加，3種炭黑填充胎面膠α之間的差距呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。炭黑的結(jié)構(gòu)性及粒徑對(duì)胎面膠C的影響沒有固定的規(guī)律，但在低溫區(qū)，炭黑的粒徑越大，其填充胎面膠的C越大，且炭黑填充量對(duì)此差距無影響。炭黑的結(jié)構(gòu)性對(duì)胎面膠λ的影響程度大于炭黑的粒徑;溫度相同時(shí)，炭黑的結(jié)構(gòu)性越高，其填充胎面膠的λ越大;當(dāng)炭黑用量較低時(shí)，其對(duì)胎面膠λ的影響程度相對(duì)較小，隨著炭黑填充量的增加，3種炭黑填充胎面膠λ之間的差距呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：輪胎;胎面膠;炭黑;熱擴(kuò)散系數(shù);導(dǎo)熱系數(shù);比熱容
中圖分類號(hào)：TQ33038+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1000-1255(2007)03-0211-04
炭黑作為一種最重要的橡膠增強(qiáng)劑，由于其自身的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，對(duì)橡膠的熱物性有著較大的影響。從微觀角度考慮，炭黑粒子越小，比表面積越大，其凝膠的能力就越強(qiáng)，對(duì)橡膠分子束縛性增強(qiáng)，兩者結(jié)合愈緊密，同時(shí)，炭黑對(duì)距離相當(dāng)遠(yuǎn)的分子也有影響。由固體聚合物的熱傳導(dǎo)機(jī)制可知，橡膠鏈端分子就會(huì)更易感應(yīng)到由原子誘發(fā)的晶格波的振動(dòng)，膠料的導(dǎo)熱性能也隨之增強(qiáng)。膠料的導(dǎo)熱性能好，其內(nèi)部溫度的傳播速度越大，各點(diǎn)的溫差越小，熱擴(kuò)散能力增強(qiáng)，溫度趨于一致的能力增強(qiáng)，從而使膠料的貯熱能力降低，即表現(xiàn)為膠料的比熱容(C)下降。同時(shí)，炭黑的結(jié)構(gòu)性越高，炭黑聚集體中粒子個(gè)數(shù)增多，形態(tài)越復(fù)雜，分子鏈“掛”在炭黑納米結(jié)構(gòu)上的橡膠分子越多，炭黑與橡膠的結(jié)合更為緊密，膠料的熱擴(kuò)散性能及導(dǎo)熱性能增強(qiáng)，C降低。因此，炭黑的粒徑及結(jié)構(gòu)性是影響炭黑填充橡膠熱物性的2個(gè)微觀因素，而兩者的影響是相反的趨勢(shì)。本工作以N100、N200、N3003種系列的炭黑為著眼點(diǎn)，研究了牌號(hào)分別為N115、N220、N3513種炭黑對(duì)輪胎胎面膠熱物性的影響規(guī)律。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 原材料
丁苯橡膠(SBR)，牌號(hào)為1502、1712;順丁橡 膠(BR)，牌號(hào)為9000，均為齊魯石化公司橡膠廠產(chǎn)品。炭黑，牌號(hào)為N115、N220、N351，其粒徑及其結(jié)構(gòu)性從小到大的順序?yàn)椋篘115，N220，N351，青島德信源工貿(mào)有限公司產(chǎn)品。其他原材料均為橡膠工業(yè)常用品。
1.2 試樣制備
基本配方(質(zhì)量份)為SBR150220，SBR171260，BR20，芳烴油38.5，氧化鋅2.2，硫黃2.2，促進(jìn)劑1.15，防老劑5.5，硬脂酸1.7，石蠟2，炭黑變量。
混煉分兩段進(jìn)行，一段在密煉機(jī)中，二段在上海輕工機(jī)械研究所生產(chǎn)的S(X)160A型雙輥筒煉膠機(jī)中。防老劑和芳烴油在一段混煉時(shí)加入，硫黃和促進(jìn)劑在二段混煉時(shí)加入，膠料混煉均勻后下片?；鞜捘z停放48h后在深圳佳鑫電子設(shè)備科技有限公司生產(chǎn)的HS-100T-FTMO-2PT型平板硫化儀上進(jìn)行硫化，硫化溫度為160℃，硫化時(shí)間為15min。將硫化膠料裁制成圓形試樣，試樣的直徑為12.7mm，厚度為2.0mm。
1.3 分析與測(cè)試
用德國(guó)Netzsch公司生產(chǎn)的LFA447型激光導(dǎo)熱儀測(cè)試膠料的熱擴(kuò)散系數(shù)(α)、導(dǎo)熱系數(shù)(λ)及C。冷卻氣為液氮，測(cè)試溫度為25～140℃。
2 結(jié)果與討論
2.1 炭黑對(duì)胎面膠α的影響
隨著炭黑填充量的增加，胎面膠的α逐漸增大。在溫度相同的條件下，炭黑用量為40，50，60，80，90份時(shí)，N115炭黑填充胎面膠的α最小;炭黑填充量為70份時(shí)，N115和N220填充胎面膠的α較小，且兩者相差不大;除了炭黑填充量為50份和90份時(shí)，N351填充胎面膠的α均大于其他2種炭黑填充胎面膠。這說明，炭黑的結(jié)構(gòu)性對(duì)胎面膠熱擴(kuò)散性能的影響程度大于炭黑的粒徑。
還可以看出，隨著炭黑填充量的增大，αN351，αN220，αN115三者之間的差距呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)樘亢谔畛淞枯^少時(shí)，炭黑對(duì)胎面膠α的影響很小，α主要與橡膠中主膠料的性能有關(guān);隨著炭黑填充量的增加，炭黑的品種對(duì)α的影響逐漸增加;但當(dāng)炭黑的填充量增加到足夠高時(shí)，炭黑在橡膠中填充得越來越滿，分散性越來越好，炭黑整體所起到的作用掩蓋了其品種的影響，胎面膠α的差距又逐漸變小了。
2.2 炭黑對(duì)胎面膠C的影響
隨著炭黑填充量的增加，胎面膠的C逐漸減小。在溫度相同的條件下，當(dāng)炭黑填充量不同時(shí)，3種胎面膠的C總體差別不大，且這種差別隨著炭黑填充量的增加也沒有較明顯的變化。但3種胎面膠的C曲線的重合度與溫度卻有一定的關(guān)系。在低溫區(qū)，3種胎面膠的C曲線重合度低，C的變化趨勢(shì)基本上是CN351最大，CN220次之，CN115最小，隨著溫度的升高，3種胎面膠C的差距越來越小，達(dá)到一定溫度后，3種胎面膠的C交叉變化，沒有固定的規(guī)律。這說明，炭黑的結(jié)構(gòu)性及粒徑對(duì)胎面膠C的影響沒有規(guī)律性，只是在低溫區(qū)炭黑粒徑對(duì)胎面膠C的影響程度略大。
2.3 炭黑對(duì)胎面膠λ的影響
隨著炭黑用量的增加，胎面膠的λ逐漸增大。炭黑品種對(duì)胎面膠λ的影響較為明顯，在同一溫度下，不同炭黑填充量下3種胎面膠的λ均是呈現(xiàn)λN351最大，λN220次之，λN115最小。這說明，炭黑的結(jié)構(gòu)性比其粒徑對(duì)胎面膠λ的影響程度大，炭黑結(jié)構(gòu)性越高，其填充胎面膠的導(dǎo)熱性能越強(qiáng)。但炭黑品種對(duì)胎面膠導(dǎo)熱性能影響的大小隨炭黑填充量的變化有差異。當(dāng)炭黑用量較低時(shí)，其對(duì)胎面膠λ的影響相對(duì)較小;隨著炭黑用量的增加，3種胎面膠λ的差距逐漸加大，即填充炭黑N351胎面膠的導(dǎo)熱性能要優(yōu)于其他2種炭黑填充胎面膠;繼續(xù)增加炭黑填充量時(shí)，3種胎面膠λ的差距又逐漸變小。同時(shí)，在炭黑的高填充量下，隨著溫度的升高，3種胎面膠λ的差距也逐漸減小。
綜上所述，填充90份N351炭黑時(shí)，胎面膠的熱物性最佳。
3 結(jié) 論
a)隨著炭黑填充量的增加，胎面膠的α及λ均逐漸增大，C逐漸減小。
b)炭黑的結(jié)構(gòu)性對(duì)胎面膠α的影響程度大于炭黑的粒徑;溫度相同時(shí)，炭黑的結(jié)構(gòu)性越高，其填充胎面膠的α越大;隨著炭黑填充量的增加，3種炭黑填充胎面膠α之間的差距呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。
c)炭黑的結(jié)構(gòu)性及粒徑對(duì)胎面膠C的影響沒有固定的規(guī)律，但在低溫區(qū)，炭黑的粒徑對(duì)胎面膠C的影響程度略大，炭黑的粒徑越大，其填充胎面膠的C越大，且炭黑填充量對(duì)此差距無影響。
d)炭黑的結(jié)構(gòu)性對(duì)胎面膠λ的影響程度大于炭黑的粒徑;溫度相同時(shí)，炭黑的結(jié)構(gòu)性越高，其填充胎面膠的λ越大;當(dāng)炭黑用量較低時(shí)，其對(duì)胎面膠λ的影響程度相對(duì)較小，隨著炭黑填充量的增加，3種炭黑填充胎面膠λ之間的差距呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。
參考文獻(xiàn)：
1 張軍，鄭昌仁，馮今明，等高聚物的熱傳導(dǎo)性質(zhì)[J]高分子通報(bào)，2001(6)：54～59
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