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,現從事輪胎溫度場研究及材料熱物性分析。
熱擴散系數是表征材料傳播溫度變化能力的重要物理參數,它與材料的內部組成密切相關。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影響規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的影響,整合出經驗公式,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。
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,冷卻介質為液氮。
1.4 測試儀器
熱擴散系數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;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與德國耐馳公司提供的標準值進行比較后發現,四種不同溫度下熱擴散系數的相對誤差均在3%以內,這說明,此方法可滿足一般的分析要求,實驗結果是可信的。
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個熱擴散系數值,取其重復性較好的進行數據處理,得到熱擴散系數。
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隨溫度的升高,均呈現逐步減小的趨勢。同一溫度下,隨著炭黑用量的增加,膠料的熱擴散系數呈現增大的趨勢。
用最小二乘法對圖2中所列數據進行回歸,發現各種膠料的熱擴散系數隨溫度的變化情況,基本符合如下線性關系式:
a=A+Bt(2)
式中:a—熱擴散系數;A,B—系數;t—攝氏溫度。其回歸結果列于表2。從表2可以看出,5種試樣的熱擴散系數隨溫度線性變化的相關系數均在-0.99以上,這說明,按照式(2)描述的熱擴散系數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A、B與N115炭黑質量份數的關系。從圖3和圖4可以看出,隨著質量份數的增加,系數A逐漸增大,而系數B的絕對值也逐漸增大,這說明,隨N115炭黑質量份數的逐漸增加,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中的數據進行了回歸分析,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炭黑的質量份數,因此,利用此式可計算文中所列膠料在測試溫度和N115炭黑用量范圍內的熱擴散系數。
把由公式(5)計算得到的熱擴散系數與實驗值進行了比較,發現60個數據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范圍內的熱擴散系數。
(2)以實驗數據為基礎,分析了熱擴散系數隨溫度和N115炭黑填充量變化的情況,發現5種膠料熱擴散系數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炭黑填充質量份數情況下,計算熱擴散系數的關聯方程,把其計算值與實驗值進行了比較,發現平均相對百分誤差僅為0.23%,結果令人滿意。
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力學性能和生熱預報[J].橡膠工業,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
