何 燕,柯顺魁,马连湘,王 伟(青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061)
作者简介:何燕(1973-),女,副教授,博士,研究方向为材料热物性及温度场研究。
热学性质是橡胶重要的物理性能之一,它在确定橡胶的加工条件,估算应用时橡胶制品的生热和使用寿命以及把橡胶用作绝热材料时都有十分重要的实用价值[1]。不仅压力、分子量、聚合物形态等因素的改变会影响橡胶的热学性质,而且温度、炭黑品种及炭黑填充量也会改变其物理性能[2]。热扩散系数是表征橡胶热物性性能的一个重要指标,它能够反映材料导热能力与贮热能力之间的关系,是描述不存在热源和对流时非稳态温度分布的一个参数[3]。多年来人们从温度对硫化胶热扩散性能的影响进行了广泛的研究[4-6],也设计了一些新型测量仪器来测其热物性性能[7-8]。虽然目前已有人从复合材料内部分子结构的角度来研究材料的热物性[9-11],但对于各种填料对胶料热物性性能的影响研究较少。炭黑作为重要的补强材料,其品种及用量的变化必然会对硫化胶的热扩散性能产生重要影响。本文通过改变N234和N539两种炭黑用量来研究热扩散性能,并对其进行了分析。
1 实验
1.1 原材料
马来西亚进口天然胶,N330,白炭黑,偶联剂,活性剂,防老剂,增塑剂,防焦剂,硫磺促进剂。
1.2 实验配方
SMR20 100,白炭黑15,炭黑变量,偶联剂1.5,活性剂4.5,增塑剂1.0,防老剂0.5,硫化体系4.0。
1.3 试样制备
生胶按传统工艺进行混炼、硫化后,压制成厚度为1.5~2 mm的片,放置8 h。测试时将胶料切成直径为12.5~12.7 mm的圆形薄片,保证试件上下表面光滑、平整。
1.4 装置及原理
所用测试仪器为LFA 447型激光导热仪[12-15]以及DISP-ERGRADER 1000NT炭黑分散度仪[16]。
1.5 测试条件
测试温度范围为30℃~140℃,每间隔10℃测量一次,气氛为氮气,循环水冷却
2 结果及分析为了保证实验结果的准确性,在每个测量点测量3次,取平均值作为实验结果进行数据分析。
2.1 炭黑品种对热扩散系数的影响及分析
在30℃~140℃的温度范围内,分别选取炭黑填充量为30,35,40,45份时,N234和N539填充硫化胶的热扩散系数对比曲线如图1所示。
从图1中可以看出,在两种炭黑填充条件下,硫化胶热扩散系数均随着温度的增加呈现出线性递减的变化趋势。总体上讲,N234炭黑填充胶的热扩散系数要高于N539炭黑填充胶的热扩散系数。这一现象可从炭黑的性质及其内部结构特性来进行分析。
炭黑是烃类不完全燃烧或热解制得的具有高度分散性的黑色粉末状物质,主要由元素碳组成,是近乎球形的胶体粒子,这些粒子大都熔结成各种不规则的聚合体。表1所示为N234和N539两种炭黑标准[17-18]。如表1所示,相对于N539炭黑,N234炭黑的粒径较小,比表面积较大,而结构性较低。表面积越大,炭黑凝胶量增多,橡胶分子网上的分子链“挂”在炭黑纳米结构上增多,橡胶分子的束缚性增强,炭黑对距离相当远的分子也有影响,两者结合越紧密,而由固体聚合物的热传导机制可知,橡胶链端分子更易感应到由原子诱发的晶格波的振动,所以胶料的导热性能增强;胶料的导热性能越好,胶料内部温度的传播速度越快,各点的温差越小,导致其热扩散能力增强。这种分析与实验结果正好相吻合。
2.2 炭黑填充量对热扩散系数的影响及分析
图2a和图2b是在30℃~140℃的温度范围内,热扩散系数随着炭黑填充量的变化情况。图2c和图2d为截取了40℃,60℃,80℃和120℃4个典型温度点来描述热扩散系数随炭黑填充量的变化情况。一般来讲,纯炭黑的热扩散性能要明显好于纯橡胶的热扩散性能。随着炭黑填充量的增加,炭黑分子挂在橡胶分子网链上数目增多,在热量传递过程中炭黑分子起到重要作用,故表现出较好的热扩散性能,所以如图2所示,温度相同时,随着炭黑填充量的增加,热扩散系数总体上呈现出上升趋势。
由图2c中可以看出,当N234炭黑填充份数为30~40份时,胶料的热扩散系数呈现出较好的线性增加关系,当炭黑份数为65份时,呈现出最佳的热扩散性能。由图2d中可以看出,当N539炭黑填充量分别为30~40份时,胶料的热扩散系数曲线线性递增;当填充量为60份时,胶料表现出最优的热扩散性能,随后其热扩散系数曲线开始下降,并有持续下降的趋势。
从图2c、图2d还可以看出,当炭黑填充量大于40份后,N234、N539炭黑填充的胶料热扩散性能均有所下降,但具体的下降区间不同。N234炭黑填充硫化胶热扩散系数的下降区间是40~45份,N539炭黑填充硫化胶热扩散系数的下降区间是40~50份,而后按照炭黑填充硫化胶热物性变化规律继续上升。围绕着热扩散性能的突然下降,为了排除偶然性因素对实验结果的影响,笔者重新对胶料进行混炼、硫化,重新对其进行测试,结果发现,第二、三次实验结果与上述实验结果相同。这一结果可从混炼过程中炭黑在橡胶中的分散度和包容胶的生成情况来加以说明。
一般说来,如果炭黑在橡胶中的分散程度较好,形成的网络结构越均匀,就会形成越好的导热通道,则热量传递的越快,材料的热扩散性能就会越好。从分散度实验结果(如图3和图4所示)可知,填充N234炭黑40份时的分散度大于填充45份时的分散度,填充N539炭黑40份时的分散度大于填充45份和50份时的分散度。炭黑分散度较差的可能原因是,在混炼的过程中有些炭黑分子被橡胶分子包围起来,形成了包容胶。这样分散到橡胶中的炭黑数量就会大大减少,炭黑之间不能形成较好的导热通道,致使导热性能降低,热扩散性能变差,为此才出现了如图2所示胶料的热扩散性能有所下降的变化趋势。由此可见,炭黑的分散性对导热网络的形成至关重要。因此,在橡胶混炼的过程中,应采取适当的工艺使炭黑在橡胶基体中更好的分散,以便获得较好的导热通道,提高其热扩散性能。
3 结论
1) 在炭黑填充量不变的情况下,硫化胶的热扩散性能随着炭黑品种的变化而变化。炭黑的粒径和比表面积是影响硫化胶热扩散性能的两个微观因素,炭黑的粒径越小,比表面积越大,胶料的热扩散系数越大。
2) 炭黑分散度和包容胶的存在直接影响硫化胶的热扩散性能,分散度越好,炭黑之间越容易形成导热通道,胶料的热扩散性能就越好。
致谢:在研究工作进行的过程中,笔者得到了青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室辛振祥教授和邓涛副教授的帮助,现表示衷心的感谢!
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