何 燕 马连湘 崔 琪(青岛科技大学机电工程学院，山东青岛266061)
摘要：研究了炭黑品种和用量对轮胎胎面胶热扩散系数(α)、导热系数(λ)及比热容(C)3种热物性参数的影响规律。结果表明，随着炭黑填充量的增加，胎面胶的α及λ均逐渐增大，C逐渐减小。炭黑的结构性对胎面胶α的影响程度大于炭黑的粒径;温度相同时，炭黑的结构性越高，其填充胎面胶的α越大;随着炭黑填充量的增加，3种炭黑填充胎面胶α之间的差距呈现先增大后减小的变化趋势。炭黑的结构性及粒径对胎面胶C的影响没有固定的规律，但在低温区，炭黑的粒径越大，其填充胎面胶的C越大，且炭黑填充量对此差距无影响。炭黑的结构性对胎面胶λ的影响程度大于炭黑的粒径;温度相同时，炭黑的结构性越高，其填充胎面胶的λ越大;当炭黑用量较低时，其对胎面胶λ的影响程度相对较小，随着炭黑填充量的增加，3种炭黑填充胎面胶λ之间的差距呈现先增大后减小的变化趋势。
关键词：轮胎;胎面胶;炭黑;热扩散系数;导热系数;比热容
中图分类号：TQ33038+1文献标识码：B文章编号：1000-1255(2007)03-0211-04
炭黑作为一种最重要的橡胶增强剂，由于其自身的结构和特点，对橡胶的热物性有着较大的影响。从微观角度考虑，炭黑粒子越小，比表面积越大，其凝胶的能力就越强，对橡胶分子束缚性增强，两者结合愈紧密，同时，炭黑对距离相当远的分子也有影响。由固体聚合物的热传导机制可知，橡胶链端分子就会更易感应到由原子诱发的晶格波的振动，胶料的导热性能也随之增强。胶料的导热性能好，其内部温度的传播速度越大，各点的温差越小，热扩散能力增强，温度趋于一致的能力增强，从而使胶料的贮热能力降低，即表现为胶料的比热容(C)下降。同时，炭黑的结构性越高，炭黑聚集体中粒子个数增多，形态越复杂，分子链“挂”在炭黑纳米结构上的橡胶分子越多，炭黑与橡胶的结合更为紧密，胶料的热扩散性能及导热性能增强，C降低。因此，炭黑的粒径及结构性是影响炭黑填充橡胶热物性的2个微观因素，而两者的影响是相反的趋势。本工作以N100、N200、N3003种系列的炭黑为着眼点，研究了牌号分别为N115、N220、N3513种炭黑对轮胎胎面胶热物性的影响规律。
1 实验部分
1.1 原材料
丁苯橡胶(SBR)，牌号为1502、1712;顺丁橡 胶(BR)，牌号为9000，均为齐鲁石化公司橡胶厂产品。炭黑，牌号为N115、N220、N351，其粒径及其结构性从小到大的顺序为：N115，N220，N351，青岛德信源工贸有限公司产品。其他原材料均为橡胶工业常用品。
1.2 试样制备
基本配方(质量份)为SBR150220，SBR171260，BR20，芳烃油38.5，氧化锌2.2，硫黄2.2，促进剂1.15，防老剂5.5，硬脂酸1.7，石蜡2，炭黑变量。
混炼分两段进行，一段在密炼机中，二段在上海轻工机械研究所生产的S(X)160A型双辊筒炼胶机中。防老剂和芳烃油在一段混炼时加入，硫黄和促进剂在二段混炼时加入，胶料混炼均匀后下片。混炼胶停放48h后在深圳佳鑫电子设备科技有限公司生产的HS-100T-FTMO-2PT型平板硫化仪上进行硫化，硫化温度为160℃，硫化时间为15min。将硫化胶料裁制成圆形试样，试样的直径为12.7mm，厚度为2.0mm。
1.3 分析与测试
用德国Netzsch公司生产的LFA447型激光导热仪测试胶料的热扩散系数(α)、导热系数(λ)及C。冷却气为液氮，测试温度为25～140℃。
2 结果与讨论
2.1 炭黑对胎面胶α的影响
随着炭黑填充量的增加，胎面胶的α逐渐增大。在温度相同的条件下，炭黑用量为40，50，60，80，90份时，N115炭黑填充胎面胶的α最小;炭黑填充量为70份时，N115和N220填充胎面胶的α较小，且两者相差不大;除了炭黑填充量为50份和90份时，N351填充胎面胶的α均大于其他2种炭黑填充胎面胶。这说明，炭黑的结构性对胎面胶热扩散性能的影响程度大于炭黑的粒径。
还可以看出，随着炭黑填充量的增大，αN351，αN220，αN115三者之间的差距呈现先增大后减小的变化趋势。这是因为炭黑填充量较少时，炭黑对胎面胶α的影响很小，α主要与橡胶中主胶料的性能有关;随着炭黑填充量的增加，炭黑的品种对α的影响逐渐增加;但当炭黑的填充量增加到足够高时，炭黑在橡胶中填充得越来越满，分散性越来越好，炭黑整体所起到的作用掩盖了其品种的影响，胎面胶α的差距又逐渐变小了。
2.2 炭黑对胎面胶C的影响
随着炭黑填充量的增加，胎面胶的C逐渐减小。在温度相同的条件下，当炭黑填充量不同时，3种胎面胶的C总体差别不大，且这种差别随着炭黑填充量的增加也没有较明显的变化。但3种胎面胶的C曲线的重合度与温度却有一定的关系。在低温区，3种胎面胶的C曲线重合度低，C的变化趋势基本上是CN351最大，CN220次之，CN115最小，随着温度的升高，3种胎面胶C的差距越来越小，达到一定温度后，3种胎面胶的C交叉变化，没有固定的规律。这说明，炭黑的结构性及粒径对胎面胶C的影响没有规律性，只是在低温区炭黑粒径对胎面胶C的影响程度略大。
2.3 炭黑对胎面胶λ的影响
随着炭黑用量的增加，胎面胶的λ逐渐增大。炭黑品种对胎面胶λ的影响较为明显，在同一温度下，不同炭黑填充量下3种胎面胶的λ均是呈现λN351最大，λN220次之，λN115最小。这说明，炭黑的结构性比其粒径对胎面胶λ的影响程度大，炭黑结构性越高，其填充胎面胶的导热性能越强。但炭黑品种对胎面胶导热性能影响的大小随炭黑填充量的变化有差异。当炭黑用量较低时，其对胎面胶λ的影响相对较小;随着炭黑用量的增加，3种胎面胶λ的差距逐渐加大，即填充炭黑N351胎面胶的导热性能要优于其他2种炭黑填充胎面胶;继续增加炭黑填充量时，3种胎面胶λ的差距又逐渐变小。同时，在炭黑的高填充量下，随着温度的升高，3种胎面胶λ的差距也逐渐减小。
综上所述，填充90份N351炭黑时，胎面胶的热物性最佳。
3 结 论
a)随着炭黑填充量的增加，胎面胶的α及λ均逐渐增大，C逐渐减小。
b)炭黑的结构性对胎面胶α的影响程度大于炭黑的粒径;温度相同时，炭黑的结构性越高，其填充胎面胶的α越大;随着炭黑填充量的增加，3种炭黑填充胎面胶α之间的差距呈现先增大后减小的变化趋势。
c)炭黑的结构性及粒径对胎面胶C的影响没有固定的规律，但在低温区，炭黑的粒径对胎面胶C的影响程度略大，炭黑的粒径越大，其填充胎面胶的C越大，且炭黑填充量对此差距无影响。
d)炭黑的结构性对胎面胶λ的影响程度大于炭黑的粒径;温度相同时，炭黑的结构性越高，其填充胎面胶的λ越大;当炭黑用量较低时，其对胎面胶λ的影响程度相对较小，随着炭黑填充量的增加，3种炭黑填充胎面胶λ之间的差距呈现先增大后减小的变化趋势。
参考文献：
1 张军，郑昌仁，冯今明，等高聚物的热传导性质[J]高分子通报，2001(6)：54～59
2 何燕，崔琪，马连湘热扩散系数测量的新方法[J]青岛科技大学学报，2005，26(6)：517～518
