马连湘,崔 琪,张方良,何 燕,高福正(青岛科技大学机电工程学院,山东青岛 266061)
摘要:采用正交试验法研究炭黑N330,N339和N351用量对子午线轮胎胎面胶导热特性的影响。结果表明,3种炭黑对胶料导热系数的影响顺序由大到小为N351,N339,N330;炭黑N351/N339/N330的最佳用量比为35/35/20;胶料导热系数随同一系列炭黑粒径的增大而增大,并与温度具有较好的线性关系;胶料导热系数随炭黑总用量的增大呈上升趋势。
关键词:炭黑;子午线轮胎;胎面胶;导热系数;正交试验法
中图分类号:TQ330.38+1;U463.341+.6文献标识码:A文章编号:1000-890X(2007)02-0076-04
汽车轮胎在行驶过程中,由于橡胶复合材料的粘弹性造成的滞后损失以及与地面之间的摩擦生热,轮胎温度会逐渐升高[1]。当轮胎温度超过临界温度时,就有可能发生爆胎现象。因此,轮胎热量的及时传递逐渐成为配方设计中不容忽视的问题,目前国内这方面的研究正处于起步阶段。混合物的导热遵循加和法则[2],因而橡胶的导热系数因所加填料的种类和用量而异,炭黑作为橡胶工业中最重要的补强填料,其影响不容忽视。N300系列炭黑是子午线轮胎胎面胶中常用炭黑,本工作在子午线轮胎胎面胶配方的基础上,用正交试验法研究炭黑N330,N339和N351用量对胎面胶导热系数的影响。
1 实验
1·1 主要原材料
BR,牌号9000;SBR,牌号1502和1712,中国石化齐鲁股份有限公司产品。炭黑N330,N351和N339,天津海豚炭黑有限公司产品。
1·2 主要测试仪器
LFA447型激光导热仪,德国耐驰公司产品。
1·3 试验方案
试验配方为:SBR1712 60,SBR1502 20,BR 20,氧化锌 2.2,硬脂酸 1.7,防老剂 5.5,芳烃油 38.5,石蜡 2,硫化剂 2.2,促进剂 1,炭黑 变品种、变量。
试验因子及水平见表1。采用正交表L9(34)前3列,选出的9种不同炭黑配比试样见表2。
式中,cp为橡胶的比热容,ρ为橡胶的密度。比热容是由测量软件通过试样与参比样品比较求得。密度由GT-XB-320M微电脑密度材料天平测得后输入分析软件。
1·5 试样制备
使用S(X)160A型双辊筒开炼机,将生胶及配合剂按照设计的方案混炼,放置一段时间后在HS-100T-FTMO-2RT型平板硫化机上硫化,硫化条件为160℃×15 min。
将硫化胶切成直径12.5~12.7 mm的圆形薄片,且保证试样上下表面光滑、平整。
1·6 操作方法
(1)试验前半小时,向激光导热仪内倒入适量液氮,调节外接循环水控制装置,设置温度使其高于室温2~3℃,预热仪器。
(2)用精度为0.02 mm的游标卡尺进行试样厚度测量,取3次平均值。
(3)用酒精将试样擦拭干净、晾干,并在上下表面均匀进行石墨涂层。
(4)将试样放入样品孔,打开测量软件,设置参数,开始测试。
试验过程中每隔3.5 h灌1次液氮。
根据研究及汽车行驶经验[3],选定测试温度为30,50,60,70和90℃。
2 结果与讨论
2·1 试验误差分析
(1)校核试验
用耐驰公司提供的Pyrex(高温玻璃)标样做校核试验。由于导热系数由比热容和热扩散系数测定值通过分析软件计算求得,因此只需对比热容和热扩散系数进行校核,测试数据如表3和4所示。由表3和4可见,热扩散系数和比热容测定的相对误差都较小,满足试验准确性要求。
(2)重复性试验
取试样进行重复性测定,结果见表5。由表5可见,导热系数测定的相对误差最大为±1.43%,重复性良好。
2·2 正交试验结果
温度为30℃时,测得1~9号胶料导热系数分别为0.213,0.198,0.283,0.244,0.274,0.245,0.258,0.290和0.299 W·(m·K)-1。数据正交分析结果见表6。由表6可见,各因子对导热系数的影响顺序由大到小为A,B,C,最佳方案为A3B3C3,即炭黑N351,N339和N330用量分别为35,35和20份。
其它温度下测得的9个试样导热系数正交分析优方案均为A3B3C3。可以看出,分析出来的最佳方案在1~9号配方中没有出现,与其较接近的是9号配方。实际测试结果也可看出,9号配方胶料的导热系数最高。为了确定方案A3B3C3的可行性,又进行了一次试验(试样编号10,炭黑N351,N339和N330用量分别为35,35和20份),得出30,50,60,70和90℃下的导热系数分别为0.303,0.321,0.325,0.333和0.360W·(m·K)-1。
各温度下10个试样的导热系数测定结果如图1所示。由图1可见,方案A3B3C3胶料(10号)导热系数最高,可见A3B3C3是获得胎面胶高导热性能的炭黑最佳配比。
在炭黑N351和N339用量相同的情况下,炭黑N351对胶料导热性能的提高能力强于炭黑
N339,两种炭黑的根本区别在于粒径大小,可见对于同一系列炭黑,胶料导热系数随炭黑粒径的增大而增大。
部分试样导热系数随温度的变化关系曲线如图2所示。由图2可以看出,导热系数与温度具有良好的线性关系。
胶料导热系数与3种炭黑总用量的关系曲线如图3所示。由图3可以看出,随着炭黑总用量的增大,胶料的导热系数呈上升趋势。
3 结论
(1)采用正交试验方法,在子午线轮胎胎面胶配方中,改变炭黑N351,N339和N330用量,得出3种炭黑对导热系数的影响顺序由大到小为N351, N339, N330;各炭黑的最佳用量比为N351/N339/N330=35/35/20。
(2)对于同系列炭黑,胶料导热系数随炭黑粒径的增大而增大,并与温度有较好的线性关系;胶料导热系数随炭黑总用量的增大呈上升趋势。
