馬連湘,崔 琪,張方良,何 燕,高福正(青島科技大學機電工程學院,山東青島 266061)
摘要:采用正交試驗法研究炭黑N330,N339和N351用量對子午線輪胎胎面膠導熱特性的影響。結果表明,3種炭黑對膠料導熱系數的影響順序由大到小為N351,N339,N330;炭黑N351/N339/N330的最佳用量比為35/35/20;膠料導熱系數隨同一系列炭黑粒徑的增大而增大,并與溫度具有較好的線性關系;膠料導熱系數隨炭黑總用量的增大呈上升趨勢。
關鍵詞:炭黑;子午線輪胎;胎面膠;導熱系數;正交試驗法
中圖分類號:TQ330.38+1;U463.341+.6文獻標識碼:A文章編號:1000-890X(2007)02-0076-04
汽車輪胎在行駛過程中,由于橡膠復合材料的粘彈性造成的滯后損失以及與地面之間的摩擦生熱,輪胎溫度會逐漸升高[1]。當輪胎溫度超過臨界溫度時,就有可能發生爆胎現象。因此,輪胎熱量的及時傳遞逐漸成為配方設計中不容忽視的問題,目前國內這方面的研究正處于起步階段。混合物的導熱遵循加和法則[2],因而橡膠的導熱系數因所加填料的種類和用量而異,炭黑作為橡膠工業中最重要的補強填料,其影響不容忽視。N300系列炭黑是子午線輪胎胎面膠中常用炭黑,本工作在子午線輪胎胎面膠配方的基礎上,用正交試驗法研究炭黑N330,N339和N351用量對胎面膠導熱系數的影響。
1 實驗
1·1 主要原材料
BR,牌號9000;SBR,牌號1502和1712,中國石化齊魯股份有限公司產品。炭黑N330,N351和N339,天津海豚炭黑有限公司產品。
1·2 主要測試儀器
LFA447型激光導熱儀,德國耐馳公司產品。
1·3 試驗方案
試驗配方為:SBR1712 60,SBR1502 20,BR 20,氧化鋅 2.2,硬脂酸 1.7,防老劑 5.5,芳烴油 38.5,石蠟 2,硫化劑 2.2,促進劑 1,炭黑 變品種、變量。
試驗因子及水平見表1。采用正交表L9(34)前3列,選出的9種不同炭黑配比試樣見表2。
式中,cp為橡膠的比熱容,ρ為橡膠的密度。比熱容是由測量軟件通過試樣與參比樣品比較求得。密度由GT-XB-320M微電腦密度材料天平測得后輸入分析軟件。
1·5 試樣制備
使用S(X)160A型雙輥筒開煉機,將生膠及配合劑按照設計的方案混煉,放置一段時間后在HS-100T-FTMO-2RT型平板硫化機上硫化,硫化條件為160℃×15 min。
將硫化膠切成直徑12.5~12.7 mm的圓形薄片,且保證試樣上下表面光滑、平整。
1·6 操作方法
(1)試驗前半小時,向激光導熱儀內倒入適量液氮,調節外接循環水控制裝置,設置溫度使其高于室溫2~3℃,預熱儀器。
(2)用精度為0.02 mm的游標卡尺進行試樣厚度測量,取3次平均值。
(3)用酒精將試樣擦拭干凈、晾干,并在上下表面均勻進行石墨涂層。
(4)將試樣放入樣品孔,打開測量軟件,設置參數,開始測試。
試驗過程中每隔3.5 h灌1次液氮。
根據研究及汽車行駛經驗[3],選定測試溫度為30,50,60,70和90℃。
2 結果與討論
2·1 試驗誤差分析
(1)校核試驗
用耐馳公司提供的Pyrex(高溫玻璃)標樣做校核試驗。由于導熱系數由比熱容和熱擴散系數測定值通過分析軟件計算求得,因此只需對比熱容和熱擴散系數進行校核,測試數據如表3和4所示。由表3和4可見,熱擴散系數和比熱容測定的相對誤差都較小,滿足試驗準確性要求。
(2)重復性試驗
取試樣進行重復性測定,結果見表5。由表5可見,導熱系數測定的相對誤差最大為±1.43%,重復性良好。
2·2 正交試驗結果
溫度為30℃時,測得1~9號膠料導熱系數分別為0.213,0.198,0.283,0.244,0.274,0.245,0.258,0.290和0.299 W·(m·K)-1。數據正交分析結果見表6。由表6可見,各因子對導熱系數的影響順序由大到小為A,B,C,最佳方案為A3B3C3,即炭黑N351,N339和N330用量分別為35,35和20份。
其它溫度下測得的9個試樣導熱系數正交分析優方案均為A3B3C3。可以看出,分析出來的最佳方案在1~9號配方中沒有出現,與其較接近的是9號配方。實際測試結果也可看出,9號配方膠料的導熱系數最高。為了確定方案A3B3C3的可行性,又進行了一次試驗(試樣編號10,炭黑N351,N339和N330用量分別為35,35和20份),得出30,50,60,70和90℃下的導熱系數分別為0.303,0.321,0.325,0.333和0.360W·(m·K)-1。
各溫度下10個試樣的導熱系數測定結果如圖1所示。由圖1可見,方案A3B3C3膠料(10號)導熱系數最高,可見A3B3C3是獲得胎面膠高導熱性能的炭黑最佳配比。
在炭黑N351和N339用量相同的情況下,炭黑N351對膠料導熱性能的提高能力強于炭黑
N339,兩種炭黑的根本區別在于粒徑大小,可見對于同一系列炭黑,膠料導熱系數隨炭黑粒徑的增大而增大。
部分試樣導熱系數隨溫度的變化關系曲線如圖2所示。由圖2可以看出,導熱系數與溫度具有良好的線性關系。
膠料導熱系數與3種炭黑總用量的關系曲線如圖3所示。由圖3可以看出,隨著炭黑總用量的增大,膠料的導熱系數呈上升趨勢。
3 結論
(1)采用正交試驗方法,在子午線輪胎胎面膠配方中,改變炭黑N351,N339和N330用量,得出3種炭黑對導熱系數的影響順序由大到小為N351, N339, N330;各炭黑的最佳用量比為N351/N339/N330=35/35/20。
(2)對于同系列炭黑,膠料導熱系數隨炭黑粒徑的增大而增大,并與溫度有較好的線性關系;膠料導熱系數隨炭黑總用量的增大呈上升趨勢。
