何 燕 马连湘 崔 琪 (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,青岛科技大学讲师,博士,工程热物理专业,现从事轮胎温度场研究及材料热物性分析。
热扩散系数是表征材料传播温度变化能力的重要物理参数,它与材料的内部组成密切相关。炭黑是轮胎胶料中的主要补强剂,其在配方中所占份数的多少,直接关系到胶料的各种性能[1-3],但炭黑用量对热扩散系数影响规律的研究却极少看到。
本文探讨了N115炭黑用量及温度对轮胎胎面胶热扩散系数的影响,整合出经验公式,为胶料的配方设计及轮胎温度场的分析研究提供了基础参数。
1 实验
1.1 基本配方
SBR1502 20,SBR1712 60,BR9000 20,芳烃油 38.5,氧化锌 2.2,防老剂 5.5,硬脂酸 1.7,石蜡 2,N115炭黑 变量(以上均为质量份)。
1.2 胶料制备
首先采用S(X)160A型双辊筒开炼机进行混炼;然后,把得到的混炼胶置入HS-100T-FTMO-2RT型平板硫化机中进行硫化,硫化条件为160°C×15
min;硫化胶用刀具切割成圆形试样,以便进行热扩散系数的测试。
1.3 测试条件
试样直径12.7 mm,厚度2 mm,测试温度范围30°C~140°C,冷却介质为液氮。
1.4 测试仪器
热扩散系数测试是在我校从国外进口的一台LFA447型激光导热仪[4]上进行的,实验原理如图1所示。此设备完全由计算机控制。工作时,首先用作为加热源的氙灯,发射一束短的脉冲照射,打在小的试样的下表面,然后,使用红外探测器记录试样上表面相应的温度升高情况,并在初始状态下,将温度探测器的信号放大并对其进行校正,反映出通过激光照射导致的试样的温度变化情况。胶料的热扩散系数通过下式,由计算机计算得到:
a= 0.1388d2/t50(1)式中:a—热扩散系数;d—试样厚度;t50—温度升高到峰值的一半时所需要的时间。
2 结果与讨论
为了验证实验的准确性和精确性,选用德国耐驰公司提供的高温玻璃标样进行校核实验,实验结果列于表1。
从表1可以看出,将在四种不同温度下测得的高温玻璃标样的热扩散系数与德国耐驰公司提供的标准值进行比较后发现,四种不同温度下热扩散系数的相对误差均在3%以内,这说明,此方法可满足一般的分析要求,实验结果是可信的。
为了保证实验的重复性,每种胶料准备两个试样,同时放入仪器的两个测试孔中进行测量,并且在仪器的测量软件中设置激光脉冲,在同一温度下,对每个试样进行3次打点,这样,就得到同一温度值下试样的6个热扩散系数值,取其重复性较好的进行数据处理,得到热扩散系数。
图2列出的是在实验温度下,N115炭黑用量及温度与热扩散系数随温度变化的相互关系。从图中可以看出,每种胶料的热扩散系数随温度的升高,均呈现逐步减小的趋势。同一温度下,随着炭黑用量的增加,胶料的热扩散系数呈现增大的趋势。
用最小二乘法对图2中所列数据进行回归,发现各种胶料的热扩散系数随温度的变化情况,基本符合如下线性关系式:
a=A+Bt(2)
式中:a—热扩散系数;A,B—系数;t—摄氏温度。其回归结果列于表2。从表2可以看出,5种试样的热扩散系数随温度线性变化的相关系数均在-0.99以上,这说明,按照式(2)描述的热扩散系数随温度的变化情况均很好。
图3和图4分别列出了公式(2)中系数A、B与N115炭黑质量份数的关系。从图3和图4可以看出,随着质量份数的增加,系数A逐渐增大,而系数B的绝对值也逐渐增大,这说明,随N115炭黑质量份数的逐渐增加,公式(2)所对应的直线的截距逐渐增加,斜率也逐渐增大。我们分别对图3和图4中的数据进行了回归分析,得出如下两方程式:
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)中既包含了温度,又包含了N115炭黑的质量份数,因此,利用此式可计算文中所列胶料在测试温度和N115炭黑用量范围内的热扩散系数。
把由公式(5)计算得到的热扩散系数与实验值进行了比较,发现60个数据点的平均相对百分误差为0.23%,最大相对误差为0.56%,其精度完全能满足工程计算的要求。
3 结论
(1)测试了N115炭黑用量不同的5种轮胎胎面胶在温度30°C~140°C范围内的热扩散系数。
(2)以实验数据为基础,分析了热扩散系数随温度和N115炭黑填充量变化的情况,发现5种胶料热扩散系数均随着温度的升高而呈线性减小,随N115炭黑用量的增加呈增大的趋势。
(3)找到了一个适合在不同温度和不同N115炭黑填充质量份数情况下,计算热扩散系数的关联方程,把其计算值与实验值进行了比较,发现平均相对百分误差仅为0.23%,结果令人满意。
参考文献:
[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] 危银涛,杨挺青,马六成等.炭黑填充橡胶复合材料动态力学性能和生热预报[J].橡胶工业,2000,47(2):67- .
[4] 德国耐驰公司.LFA447导热仪使用手册.德国耐驰公司
