何 燕 馬連湘 崔 琪(青島科技大學機電工程學院，山東青島266061)
摘要：研究了炭黑品種和用量對輪胎胎面膠熱擴散系數(α)、導熱系數(λ)及比熱容(C)3種熱物性參數的影響規律。結果表明，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。炭黑的結構性對胎面膠α的影響程度大于炭黑的粒徑;溫度相同時，炭黑的結構性越高，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之間的差距呈現先增大后減小的變化趨勢。炭黑的結構性及粒徑對胎面膠C的影響沒有固定的規律，但在低溫區，炭黑的粒徑越大，其填充胎面膠的C越大，且炭黑填充量對此差距無影響。炭黑的結構性對胎面膠λ的影響程度大于炭黑的粒徑;溫度相同時，炭黑的結構性越高，其填充胎面膠的λ越大;當炭黑用量較低時，其對胎面膠λ的影響程度相對較小，隨著炭黑填充量的增加，3種炭黑填充胎面膠λ之間的差距呈現先增大后減小的變化趨勢。
關鍵詞：輪胎;胎面膠;炭黑;熱擴散系數;導熱系數;比熱容
中圖分類號：TQ33038+1文獻標識碼：B文章編號：1000-1255(2007)03-0211-04
炭黑作為一種最重要的橡膠增強劑，由于其自身的結構和特點，對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，對橡膠分子束縛性增強，兩者結合愈緊密，同時，炭黑對距離相當遠的分子也有影響。由固體聚合物的熱傳導機制可知，橡膠鏈端分子就會更易感應到由原子誘發的晶格波的振動，膠料的導熱性能也隨之增強。膠料的導熱性能好，其內部溫度的傳播速度越大，各點的溫差越小，熱擴散能力增強，溫度趨于一致的能力增強，從而使膠料的貯熱能力降低，即表現為膠料的比熱容(C)下降。同時，炭黑的結構性越高，炭黑聚集體中粒子個數增多，形態越復雜，分子鏈“掛”在炭黑納米結構上的橡膠分子越多，炭黑與橡膠的結合更為緊密，膠料的熱擴散性能及導熱性能增強，C降低。因此，炭黑的粒徑及結構性是影響炭黑填充橡膠熱物性的2個微觀因素，而兩者的影響是相反的趨勢。本工作以N100、N200、N3003種系列的炭黑為著眼點，研究了牌號分別為N115、N220、N3513種炭黑對輪胎胎面膠熱物性的影響規律。
1 實驗部分
1.1 原材料
丁苯橡膠(SBR)，牌號為1502、1712;順丁橡 膠(BR)，牌號為9000，均為齊魯石化公司橡膠廠產品。炭黑，牌號為N115、N220、N351，其粒徑及其結構性從小到大的順序為：N115，N220，N351，青島德信源工貿有限公司產品。其他原材料均為橡膠工業常用品。
1.2 試樣制備
基本配方(質量份)為SBR150220，SBR171260，BR20，芳烴油38.5，氧化鋅2.2，硫黃2.2，促進劑1.15，防老劑5.5，硬脂酸1.7，石蠟2，炭黑變量。
混煉分兩段進行，一段在密煉機中，二段在上海輕工機械研究所生產的S(X)160A型雙輥筒煉膠機中。防老劑和芳烴油在一段混煉時加入，硫黃和促進劑在二段混煉時加入，膠料混煉均勻后下片?；鞜捘z停放48h后在深圳佳鑫電子設備科技有限公司生產的HS-100T-FTMO-2PT型平板硫化儀上進行硫化，硫化溫度為160℃，硫化時間為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 分析與測試
用德國Netzsch公司生產的LFA447型激光導熱儀測試膠料的熱擴散系數(α)、導熱系數(λ)及C。冷卻氣為液氮，測試溫度為25～140℃。
2 結果與討論
2.1 炭黑對胎面膠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，N115炭黑填充胎面膠的α最小;炭黑填充量為70份時，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，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，炭黑的結構性對胎面膠熱擴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先增大后減小的變化趨勢。這是因為炭黑填充量較少時，炭黑對胎面膠α的影響很小，α主要與橡膠中主膠料的性能有關;隨著炭黑填充量的增加，炭黑的品種對α的影響逐漸增加;但當炭黑的填充量增加到足夠高時，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，當炭黑填充量不同時，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系。在低溫區，3種胎面膠的C曲線重合度低，C的變化趨勢基本上是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，達到一定溫度后，3種胎面膠的C交叉變化，沒有固定的規律。這說明，炭黑的結構性及粒徑對胎面膠C的影響沒有規律性，只是在低溫區炭黑粒徑對胎面膠C的影響程度略大。
2.3 炭黑對胎面膠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λN351最大，λN220次之，λN115最小。這說明，炭黑的結構性比其粒徑對胎面膠λ的影響程度大，炭黑結構性越高，其填充胎面膠的導熱性能越強。但炭黑品種對胎面膠導熱性能影響的大小隨炭黑填充量的變化有差異。當炭黑用量較低時，其對胎面膠λ的影響相對較小;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胎面膠的導熱性能要優于其他2種炭黑填充胎面膠;繼續增加炭黑填充量時，3種胎面膠λ的差距又逐漸變小。同時，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，胎面膠的熱物性最佳。
3 結 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)炭黑的結構性對胎面膠α的影響程度大于炭黑的粒徑;溫度相同時，炭黑的結構性越高，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之間的差距呈現先增大后減小的變化趨勢。
c)炭黑的結構性及粒徑對胎面膠C的影響沒有固定的規律，但在低溫區，炭黑的粒徑對胎面膠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，且炭黑填充量對此差距無影響。
d)炭黑的結構性對胎面膠λ的影響程度大于炭黑的粒徑;溫度相同時，炭黑的結構性越高，其填充胎面膠的λ越大;當炭黑用量較低時，其對胎面膠λ的影響程度相對較小，隨著炭黑填充量的增加，3種炭黑填充胎面膠λ之間的差距呈現先增大后減小的變化趨勢。
參考文獻：
1 張軍，鄭昌仁，馮今明，等高聚物的熱傳導性質[J]高分子通報，2001(6)：54～59
2 何燕，崔琪，馬連湘熱擴散系數測量的新方法[J]青島科技大學學報，2005，26(6)：517～518
