炭黑用量及硫化對橡膠導熱係數的影響

    0  前言

   橡膠熱物理性能的研究對於橡膠的加工及成品的使用均有極其重要的影響，導熱係數是其中一個重要指標。目前人們主要在溫度、結晶度及晶體取向等方麵對其導熱係數進行了一係列的研究。硫化是橡膠與配合劑分子重組的過程，隨著硫化的進行，橡膠的導熱特性也會隨之改變。炭黑是橡膠重要的填充劑，其填充量的改變對橡膠導熱特性的影響也不容忽視。本文采用閃光導熱儀測量了硫化前後N115炭黑用量改變條件下橡膠的導熱係數，針對炭黑及硫化這兩個因素的影響做了一係列研究，以期對橡膠實際的加工、生產有所助益。

    1  實驗

    1.1  原材料(質量份)

    SBR1502 20，SBR171260，BR9000 20，N115炭黑變量，其它配合劑為橡膠輪胎工業胎麵膠常用助劑。

    1.2  實驗裝置

    本實驗采用閃光導熱分析儀LFA447Nanoflash^TM對熱擴散係數進行測量。該導熱儀使用氙燈作為加熱源加熱樣品表麵，使用紅外探測器讀取樣品溫升，減少了潛在的表麵熱阻。

    1.3  實驗原理

   在一定的設定溫度T(恒溫條件)下，由激光源(或閃光燈)在瞬間發射一束光脈衝，均勻照射在樣品下表麵，使用紅外探測器測量樣品上表麵中心部位的相應溫升過程，得到溫度升高對時間的關係曲線。通過半升溫時間(在接收光脈衝照射後樣品上表麵溫度升高到*大值的一半所需的時間)t₉₀。(或稱t_1/2)，由下式：

   α=0.1388×d²/t₅₀  (1)

   即可得到樣品在溫度T下的熱擴散係數α。式中，d為試樣的厚度。

    導熱係數λ由下式求得：

   λ=αO×C_P×P (2)

   式中，C_P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得。1.4  試樣製備

   使用S(X)160A型雙輥筒煉膠機，將生膠及配合劑混煉，取部分壓製成厚度1.5-2 mm的膠片，放置8h。其他膠料放入HS-100T-FT-MO-2RT型平板硫化儀進行硫化。硫化條件為160℃×15 min。

    測試時將膠料切成直徑為12.5-12.7mm的圓形薄片，且保證試樣上下表麵光滑、平整。

    1.5  實驗步驟

   (1)實驗前半小時，向儀器裡倒入適量液氮，調節外接循環水控製儀，設置溫度使其高於室溫2-3℃，預熱儀器。

    (2)用精度為0.02mm的遊標卡尺對試件的厚度進行三次測量，取其平均值作為試樣的厚度。

   (3)用酒精將試樣擦拭乾淨，晾乾。在試樣的上下表麵進行均勻的石墨鍍層。

   (4)將試樣放入樣品孔，打開測量軟件，設置參數，開始測試。

    實驗過程中每隔3.5h灌一次液氮。實驗結束後關閉所有電源。

    1.6  實驗條件

   本實驗改變膠料中N115炭黑的質量分數：70、75、80測試溫度為25-60℃。

    2  結果與討論

    2.1  炭黑用量對硫化前橡膠導熱特性的影響

   圖1(略)是在橡膠硫化前炭黑含量為70、75、80的條件下，溫度與導熱係數的關係曲線。從圖中可以看出，導熱係數隨著溫度的升高大體呈現上升趨勢，並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，導熱係數隨炭黑用量的增加而增大。從本實驗結果可以看出，當炭黑的含量在高範圍變動時，橡膠的導熱特性反而有所降低。分析原因如下：我們知道，炭黑自身的導熱特性要高於橡膠，炭黑粒子間是以範德華力相互吸引的，穩定性差。但在炭黑與橡膠混煉後，其形態特征以及橡膠的鏈結構會受到剪切力的破壞，炭黑自身的導熱性能降低。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量增多，在混煉的過程中產生的剪切力也越來越大，聚集體的形態特征受到的破壞程度也就隨之大大增加。當由於聚集體結構的破壞對導熱的影響大於炭黑自身對其的影響時，就會出現本實驗得出的結果。

    2.2  硫化對橡膠導熱特性的影響

   圖2、3、4(略)分彆是炭黑填充量為70、75、80份時，硫化前後橡膠導熱係數隨溫度變化的關係圖。表1、2、3為炭黑含量為70、75、80份時，硫化前後橡膠導熱係數具體的對比差值。通過對比可以看出，硫化前橡膠的導熱係數要大於硫化後的，且炭黑含量為70份時，兩者的差值在0.007-0.041之間；炭黑含量為75份時，兩者的差值在-0.001-0.028之間；炭黑含量為80份時，兩者的差值在-0.006-0.008之間。可見隨著炭黑用量的增加，硫化前後橡膠導熱係數的差距逐漸減小。

    表1  炭黑含量為70份時硫化前後橡膠導熱係數對比差值

導熱係數/W·(m·k)-1	溫度/℃
	25	30	35	40	45	50	55	60
硫化前	0.252	0.279	0.287	0.288	0.291	0.288	0.289	0.292
硫化後	0.245	0.247	0.246	0.246	0.253	0.252	0.251	0.251
導熱係數對比差值	0.007	0.032	0.041	0.042	0.038	0.036	0.038	0.041

    表2  炭黑含量為75份時硫化前後橡膠導熱係數對比差值

導熱係數/W·(m·k)-1	溫度/℃
	25	30	35	40	45	50	55	60
硫化前	0.261	0.268	0.271	0.273	0.280	0.280	0.279	0.284
硫化後	0.233	0.245	0.261	0.274	0.277	0.277	0.279	0.281
導熱係數對比差值	0.028	0.023	0.01	-0.001	0.003	0.003	0	0.003

    表3  炭黑含量為80份時硫化前後橡膠導熱係數對比差值

導熱係數/W·(m·k)-1	溫度/℃
	25	30	35	40	45	50	55	60
硫化前	0.240	0.264	0.266	0.270	0.271	0.273	0.275	0.282
硫化後	0.246	0.257	0.263	0.269	0.272	0.273	0.276	0.274
導熱係數對比差值	-0.006	0.007	0.003	0.001	-0.001	0	-0.001	0.008

   這可能是因為橡膠在未經硫化以前，單個分子之間冇有產生交聯，分子成鏈狀結構，經過硫化後，分子之間產生交聯，形成牢固的三維網狀結構，粒子間作用力主要是牢固的化學鍵力。熱傳導的實質是由於微觀粒子的相互作用和相互碰撞，微觀粒子間作用力增大，其運動的阻力就隨之增大，從而導致橡膠的導熱性能降低。炭黑的用量增大，炭黑在橡膠中所占的比例增加，因為炭黑自身就是網狀結構，從而從整體上降低了橡膠分子交聯對其導熱性能的影響，硫化前後的導熱係數的差值隨炭黑用量的增加而逐漸減小。

    3  結論

   (1)橡膠的導熱係數隨著溫度的升高而呈現出增加的趨勢。當炭黑的含量在高範圍變動時，硫化前橡膠的導熱特性隨著炭黑用量的增加而降低。

   (2)將硫化前後橡膠的導熱係數數值進行對比發現，硫化前橡膠的導熱係數大於硫化後的，且兩者的差值隨炭黑用量的增加而降低。