何　燕　馬連湘　崔　琪　(青島科技大學機電工程學院,山東青島266061)

作者簡介:何　燕(1973-),女,青島科技大學講師,博士,工程熱物理專業(yè),現(xiàn)從事輪胎溫度場研究及材料熱物性分析。

熱擴散系數(shù)是表征材料傳播溫度變化能力的重要物理參數(shù),它與材料的內(nèi)部組成密切相關。炭黑是輪胎膠料中的主要補強劑,其在配方中所占份數(shù)的多少,直接關系到膠料的各種性能[1-3],但炭黑用量對熱擴散系數(shù)影響規(guī)律的研究卻極少看到。

本文探討了N115炭黑用量及溫度對輪胎胎面膠熱擴散系數(shù)的影響,整合出經(jīng)驗公式,為膠料的配方設計及輪胎溫度場的分析研究提供了基礎參數(shù)。

1　實驗

1.1　基本配方

SBR1502　20,SBR1712　60,BR9000　20,芳烴油　38.5,氧化鋅　2.2,防老劑　5.5,硬脂酸　1.7,石蠟　2,N115炭黑　變量(以上均為質(zhì)量份)。

1.2　膠料制備

首先采用S(X)160A型雙輥筒開煉機進行混煉;然后,把得到的混煉膠置入HS-100T-FTMO-2RT型平板硫化機中進行硫化,硫化條件為160°C×15 min;硫化膠用刀具切割成圓形試樣,以便進行熱擴散系數(shù)的測試。

1.3　測試條件

試樣直徑12.7 mm,厚度2 mm,測試溫度范圍30°C~140°C,冷卻介質(zhì)為液氮。

1.4　測試儀器

熱擴散系數(shù)測試是在我校從國外進口的一臺LFA447型激光導熱儀[4]上進行的,實驗原理如圖1所示。此設備完全由計算機控制。工作時,首先用作為加熱源的氙燈,發(fā)射一束短的脈沖照射,打在小的試樣的下表面,然后,使用紅外探測器記錄試樣上表面相應的溫度升高情況,并在初始狀態(tài)下,將溫度探測器的信號放大并對其進行校正,反映出通過激光照射導致的試樣的溫度變化情況。膠料的熱擴散系數(shù)通過下式,由計算機計算得到:

a= 0.1388d2/t50(1)式中:a—熱擴散系數(shù);d—試樣厚度;t50—溫度升高到峰值的一半時所需要的時間。

2　結(jié)果與討論

為了驗證實驗的準確性和精確性,選用德國耐馳公司提供的高溫玻璃標樣進行校核實驗,實驗結(jié)果列于表1。

從表1可以看出,將在四種不同溫度下測得的高溫玻璃標樣的熱擴散系數(shù)與德國耐馳公司提供的標準值進行比較后發(fā)現(xiàn),四種不同溫度下熱擴散系數(shù)的相對誤差均在3%以內(nèi),這說明,此方法可滿足一般的分析要求,實驗結(jié)果是可信的。

為了保證實驗的重復性,每種膠料準備兩個試樣,同時放入儀器的兩個測試孔中進行測量,并且在儀器的測量軟件中設置激光脈沖,在同一溫度下,對每個試樣進行3次打點,這樣,就得到同一溫度值下試樣的6個熱擴散系數(shù)值,取其重復性較好的進行數(shù)據(jù)處理,得到熱擴散系數(shù)。

圖2列出的是在實驗溫度下,N115炭黑用量及溫度與熱擴散系數(shù)隨溫度變化的相互關系。從圖中可以看出,每種膠料的熱擴散系數(shù)隨溫度的升高,均呈現(xiàn)逐步減小的趨勢。同一溫度下,隨著炭黑用量的增加,膠料的熱擴散系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢。

用最小二乘法對圖2中所列數(shù)據(jù)進行回歸,發(fā)現(xiàn)各種膠料的熱擴散系數(shù)隨溫度的變化情況,基本符合如下線性關系式:

a=A+Bt(2)

式中:a—熱擴散系數(shù);A,B—系數(shù);t—攝氏溫度。其回歸結(jié)果列于表2。從表2可以看出,5種試樣的熱擴散系數(shù)隨溫度線性變化的相關系數(shù)均在-0.99以上,這說明,按照式(2)描述的熱擴散系數(shù)隨溫度的變化情況均很好。

圖3和圖4分別列出了公式(2)中系數(shù)A、B與N115炭黑質(zhì)量份數(shù)的關系。從圖3和圖4可以看出,隨著質(zhì)量份數(shù)的增加,系數(shù)A逐漸增大,而系數(shù)B的絕對值也逐漸增大,這說明,隨N115炭黑質(zhì)量份數(shù)的逐漸增加,公式(2)所對應的直線的截距逐漸增加,斜率也逐漸增大。我們分別對圖3和圖4中的數(shù)據(jù)進行了回歸分析,得出如下兩方程式:

把公式(3)、(4)代入公式(2)中,得a= 0.10529-2.36391×10-4t+0.00105X-2.8917×10-7Xt(5)

式(5)中既包含了溫度,又包含了N115炭黑的質(zhì)量份數(shù),因此,利用此式可計算文中所列膠料在測試溫度和N115炭黑用量范圍內(nèi)的熱擴散系數(shù)。

把由公式(5)計算得到的熱擴散系數(shù)與實驗值進行了比較,發(fā)現(xiàn)60個數(shù)據(jù)點的平均相對百分誤差為0.23%,最大相對誤差為0.56%,其精度完全能滿足工程計算的要求。

3　結(jié)論

(1)測試了N115炭黑用量不同的5種輪胎胎面膠在溫度30°C~140°C范圍內(nèi)的熱擴散系數(shù)。

(2)以實驗數(shù)據(jù)為基礎,分析了熱擴散系數(shù)隨溫度和N115炭黑填充量變化的情況,發(fā)現(xiàn)5種膠料熱擴散系數(shù)均隨著溫度的升高而呈線性減小,隨N115炭黑用量的增加呈增大的趨勢。

(3)找到了一個適合在不同溫度和不同N115炭黑填充質(zhì)量份數(shù)情況下,計算熱擴散系數(shù)的關聯(lián)方程,把其計算值與實驗值進行了比較,發(fā)現(xiàn)平均相對百分誤差僅為0.23%,結(jié)果令人滿意。

參考文獻:

[1]　Nakajima N, Bowerman HH, Collins E A. Nonlinearviscoelastic behavior of butadiene-acrylonitrilecopolymers filled with carbon black [ J]. RubberChemistry and Technology, 1978, 51(2):322-334.

[2]　Meinecke E. Effect of Carbon Black Loading andCrosslink density on the Heat Build-up in Elastomers[J]. Rubber Chemistry andTechnology, 1991,64(2):269-284.

[3]　危銀濤,楊挺青,馬六成等.炭黑填充橡膠復合材料動態(tài)力學性能和生熱預報[J].橡膠工業(yè),2000,47(2):67-　.

[4]　德國耐馳公司.LFA447導熱儀使用手冊.德國耐馳公司