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橡胶压缩屈挠温升与生热和导热关系的研究

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《广东橡胶》2015年第1 0期 橡胶压缩屈挠温升与生热和导热关系的研究 曾玉铧陈朝晖 张小冬刘运春 (华南理工大学材料科学与工程学院广州510640) 罗吉良魏静勋 (广州市华南橡胶轮胎有限公司) 摘要:采用压缩疲劳试验机、激光导热仪及RPA2000等仪器测试了不同炭黑用量下,溶聚 丁苯橡胶胶料的生热、导热性能及动态力学性能的参数,探讨了不同硬度的橡胶块在 动态压缩屈挠试验中达到稳态时的温升与胶料动态模量、损耗因子、压缩变形及导热 系数的定量关系。研究表明,随着炭黑用量增加,胶料的硬度随之增大,产生的温升越 高。利用稳态时单位时间里橡胶块内的生热率与导热率相等建立热分析数学模型,计 算所得的橡胶块中心温升与实际测试值比较接近,相对误差为1.98%至9.81%,并探讨 了数学模型处理的合理性。当炭黑添加量在50~80phr时,理论值与测试值的偏差较 大,添加量在90~100phr时,偏差较小,并从模型假设和实际操作的角度对误差的来源 进行了分析。 关键词:动态模量,损耗因子,导热系数,温升 橡胶的滞后性能对轮胎、减震装置、活 动耦合装置等橡胶制品十分重要。对于轮胎而 言,胶料生热效应已成为影响其性能的重要因 素。橡胶材料是热的不良导体,则轮胎中因摩 擦和黏弹滞后损失而产生的热量不易被导出, 时温升隋况。B.P.HolowniaD0]在研究橡胶块 的滞后效应对温升的影响时对此进行了探讨,利 用数学模型对D/hkL为2~1o的橡胶块进行研究, 考察其在低频(1.67H z)下径向方向上温度的分 这样能量在内部积聚便产生温升。高温会加速 橡胶的老化,胶料的力学性能和耐疲劳性能急 剧下降。此外,轮胎的生热过高,意味着滚动 时机械能损失严重,增加了汽车的燃料消耗。 为此很多学者从改善填料分散以及增强填料与 橡胶之间的界面结合方面来降低轮胎胶料的动 布。研究结果认为理论值与测试值的偏差很大程 度是依赖于泊松比,对D/h>6的橡胶块泊松比对 温度分布的影响大,对D/h<6橡胶块泊松比对温 度分布的影响小。滞后损失还与橡胶块内部的应 力分布有关。因其实验的所选频率低,用于理论 计算的实验参数是在静态下的测试值,对高频下 的温升推导就会有偏颇。 除建立模型对温升进行预估外,还有通过 调整实验配方的方式来定性研究影响温升的相 关因素。Dong Myung Park等 对炭黑填充硫化 态生热l】。。J,另外也有研究 是从提高胶料的 导热性能的角度出发,但对橡胶在动态条件下 生热与导热相关性的研究却比较少。 橡胶块在受到往复应力作用时,往复频 率、变形幅度及导热速度决定了橡胶块处于稳态 胶的生热分别与滞后损失、100%定伸应力、损 耗柔量、损耗模量、填料用量、应变振幅和环 作者简介:曾玉铧(1989一),女,四川华蓥人,华南理工大学在读硕士研究生,研究方向 是高分子材料成型加工。 水通讯联系人 2 橡胶压缩屈挠温升与生热和导热关系的研究 本文的研究对象是轴对称的圆柱形橡胶 块,研究的目的是通过数学模型的建立来探讨了 不同硬度的橡胶块在动态压缩屈挠试验中达到稳 态时的温升与胶料动态模量、损耗因子、导热系 境温度、频率、导热系数等影响因素的关系。 Qinghong Fang等¨ 通过改变炭黑与白炭黑的并 用比和添加偶联剂,研究了温升与损耗因子、 损耗模量的关系。Sedigheh So1tanil]圳在研究 炭黑类型对丁苯胶的滞后损失、温升和应力松 弛的影响时提出,降低炭黑的结构性或增加炭 数和压缩变形的关系。 黑的粒径会降低生热;导致混炼胶产生高滞后 的填料就预示着其填充的硫化胶温升也相应较 高。 1实验部分 1.1实验配方(实验材料) 实验配方如表1所示。 表1实验配方 1 2混炼工艺 生热分析:根据GS/T 1 687—1993用R H一 2000N压缩疲劳生热试验机对圆柱橡胶块在一定 试验胶料分两段混炼,一段混炼在密炼 机中进行,加料顺序依次为:SBR1 723、炭黑 N330、小料,待混炼均匀后排胶;二段混炼在开 炼机上进行,加入促进剂、硫磺,混炼均匀后薄 通出片,停放24小时后,试样在平板硫化机上按 160℃×t 硫化。 频率下进行压缩测试,测试频率为30Hz,测试时 间为25m i n,应变振幅为4.45mm。对橡胶块中心 平面内径向上不同处的温升测试是依靠电钻对其 打孔(孔径为1.5mm),再将热电偶埋入橡胶块 中,便能测得温升。 1.3实验仪器 动态性能:通过橡胶加工分析仪(R P A2000) 对硫化胶进行温度扫描,测得动态储能模量、 损耗因子对温度的依赖关系。测试条件:频率 30Hz,应变振幅与胶料在压缩屈挠测试中的压缩 x K一16o型开炼机,广东湛江机械厂;L N一 1.5L密炼机,广东东莞利拿机械实业有限公 司;KSttRIO0型电热平板硫化机,科盛机械(深 圳)有限公司;xy-1型橡胶硬度计,上海化工 机械四 一;G F-300D型密度天平,日本AN D公 形变相一致,扫描温度为60 ̄C~140℃。 司;橡胶加工分析仪(RPA2000),美国ALPHA FECHNOLOG I ES公司;RH一2000N型压缩疲劳生热试 导热性能:导热系数入是由热扩散系数 。【、比热容C以及胶料的密度p三者相乘得到, 即 = 。其中热扩散系数的测试通过激 光导热仪测得,用液氮为冷却气,测试温度为 3O℃一15O℃。比热容采用差示扫描量热仪在氮 验机,J 东东莞高铁检测仪器有限公司;LFA447 型激光导热仪,德国NETZSTH公司;DSC204F1型 差示扫描量热仪,德国NETZSTH公司。 1.4性能测试 气氛围下测得,扫描温度为一10℃~180℃。胶料 的密度按GS/T 533—1999 ̄,《定。用于理论计算的 测试值如表2所示。 物理性能:按GB/'I、53卜1999N定胶料的_fjI5 尔A硬度。 《广东橡胶》2015年第1 0期 3 注:导热系数和G’、tan 6是对应于橡胶块在压缩生热时特定温度特定形变下的测试值。 2理论依据 轴向对称的橡胶块在受到往复应力作用 下,因橡胶的应变跟不上外界应力的变化,便产 生一个相位角6,即橡胶的滞后现象。因其滞 后效应使部分机械能转化为热能而使橡胶块生热 n 。’ 。的底部温升和中心温升,如图1所示。橡胶块的 温升随时间的变化如图2所示,从图中可知橡胶 块的温升在一定时间内会趋于稳定值,橡胶内的 生热量与导热量相等,即橡胶块处于稳态。现对 橡胶块处于稳态时进行数学模型分析。 在压缩疲劳试验中,用热电偶测得橡胶块 ocoupk 圈l热电偶的测试位置 {l 萤 Timelmin 图2压缩时间对橡胶块温升的影响 2.1理论基础 内部热传导的影响,其他传热途径都包含在边界 条件内。热传导学中直角坐标系内三维热传导方 程式 如式I一1所示。 在本实验中橡胶块传热途径包括:橡胶块 对环境的热辐射,周围环境对橡胶块的强制热交 换,橡胶块上下表面与上下压板的热传导,橡胶 块内部的热传导。因以橡胶块为研究对象,可利 + +窘-l-qv ‘_一 I瓦OT 式1—1 其中,口 为内热源强度,入为导热系数, 用测试技巧测得其边界条件,故只需考虑橡胶块 4 橡胶压缩屈挠温升与生热和导热关系的研究 为热扩散系数。从式卜1看出,热量可沿X、 Y、Z方向传导,依此内热源的生热量可分离到 X、Y、z方向上处理。另外,稳态时温度对时间 的变化为零。 2.2模型近似处理 口 a 、 表示。虽橡胶块内各处的温升不一 致,但温度对导热系数的影响在有限范围内,故 假设橡胶块内各处的导热系数相同。橡胶块在压 缩疲劳试验时,静压缩率大(20%~36%),坐标系 原点与圆柱的中心重合,如图3JJ ̄f示。当研究各 假设圆柱形橡胶块的单位体积在单位时间 内的发热量相等,用口 表示。圆柱内任意一处 坐标轴方向的温度分布时,都假设其他方向的尺 寸足够大,而忽略其他两个方向上热流对该方向 上热流的影响。 的发热量都可分离Nx、Y、z方向上,并分别用 T T 图3模型示意图 2.3模型建立 上下底面的热损失,所以 先研究橡胶x块轴方向上的温度分布,其 中h为橡胶块静压后的高度,尺为静压后的半 径,入为导热系数, 为轴向上发热量, 为 底部温升。 2(一 感2I。)=口 感2ifU ̄=-- ̄ __ 式卜4微分后得到: 轴向的热流量的微分方程式为: 警Il 矗=(妻一  wl— ma上 x/、垒h 所以一 ( ,一 战)鲁= 皇 粤+孕=0 dx 2’ 一 边界条件是x=±告时, = , 式1—2式1—2的通解为 =一酱 +Cl +C2式卜3 以及rmax一 =考 向表面的温升, 式 ~5 在y轴和Z轴方向上,因其对称性而认定y轴 凶橡胶块的上下底面的温度相同,故G应 当为0。中心点的温升设为 到: Tm =C2 lHz轴方向上的温度分布是一致的。其中T 为径 为y轴方向上的生热量。模拟 方式如 轴方向上的方法,只需将h令为2R代 入卜5即可,便得: 一 ,并由式卜3得 所以 轴向上温度分布为 =一 x + ax 式1—4 2=等 式 一6 单位体积的橡胶在反复应力作用下单位时 间内所损耗的机械功为: 橡胶块处于稳态时,轴向的发热率应等于 《广东橡胶》2015年第1 0期 5 △ 。-3 ̄f6o2E’tan 8 因E’ 3G’ 式卜7 +2gw=3, ̄dG’tan 6 式1—10 联立式1-5、卜6和1-10解得 一 则式卜7变为AW。=3 ̄f6o2E。tan 式卜8 max—h2+2R2’4Z(h2 2R2) 。‘wl 2二 l 墨: 兰盘 垒 T 其中_厂为压缩频率,30Hz;Eo为动态压缩形 变;G’和tan 5是RPA2O00动态扫描得到。 橡胶块的单位体积在单位时间内的发热量 =则温差 …...……一 …….……+ .….式1—11 AW’=3 G。tan 6式1—9 3实验结果与讨论 3.1橡胶块的压缩生热性能 表3橡胶块压缩生热的测试值 注:T 为中间温升的测试值 橡胶块压缩生热的测试数据如表3所示。从 表中可以看出,随着炭黑含量的增加,胶料的硬 缩变形1%~20%)时,炭黑在胶料中形成的网状 结构会发生断裂和重新形成的连续过程,表现为 滞后损失过程 …。随着炭黑含量增加,其填料 网络结构越密集,使更多的炭黑网络结构在周期 应力作用下断裂,造成更大的滞后损失,从而使 得温升提高。 3.2测试值与理论值的对比 度随之增大,这与炭黑的有效体积分数增大,提 高了胶料的模量密切相关 。这使得橡胶块在 压缩疲劳试验中压缩后的半径随硬度的升高而减 小,而压缩后的高度和压缩形变则随硬度升高而 增大。另外,橡胶块的温升随炭黑含量的增加而 提高。因为胶料在受到中等幅度的周期应变(压 表4橡胶块中间温升的理论值 注:T… 为橡胶块中间温升的理论值 不同炭黑用量下橡胶块的中间温升按式 I—iI计算得到的理论值如表4所示。不同炭黑 用量下橡胶块的中间温升的理论值与测试值 的对比如图4所示。从表4中可以看出,理论 值与测试值比较接近,相对误差为1.98%至 9.8I%,从实验的角度证实了公式推导的合理 性。当炭黑添加量在50~80phr时,理论值与 测试值的偏差较大,添加量在9o~1OOphr时, 偏差较小。理论值与测试值的偏差来源:1、 测试数据与真实值有误差;2、在压缩疲劳生 热试验中,各处的压缩形变并不完全相同, 这使得单位体积的橡胶块各处的在单位时间 内的生热量并不相同;3、橡胶块各处的温升 不同,这使得各处的导热系数不等;4、圆柱 6 橡胶压缩屈挠温升与生热和导热关系的研究 形橡胶块中单轴上热流的近似处理,使得计算得 到总生热量比实际的总生热量多,这使得理论值 与测试值存在偏差。炭黑添加量为90、1OOph r 时,压缩形变小,这使得总生热量的偏差减小, 故其理论值与测试值的偏差较小。 95 90 0矗一△ 一—I1 II_c—cl罩口ll (1 爵0 :g ∞ ∞ ::; ∞ 5O 6O 7O 80 9O 1O0 carbon black loading/phr 图4不同炭黑用量下橡胶块的中间温升理论值与测试值对比 4结论 1.随着炭黑含量的增加,胶料的硬度随之 增大,橡胶块的温升提高。 2.理论值与测试值比较接近,相对误差为 1.98%至9.81%,从实验的角度证实了公式推导的 合理性;当炭黑添加量在5o~80phr时,理论值 与测试值的偏差较大,添加量在9o~lOOphr时, 偏差较小。 致谢 Polym Sci,2008,108(1):112-118 [2]王梦蛟.炭黑一白炭黑双相填料的研究 [J].橡胶工业,1999,19(5):250—289 [3]Hiroshi Mouri.Rolling Resistance is Important to Ti res[J].Rubber&P1 asti es News,1996,15(1):2629 [4]Mu Q,Feng S,Diao G.Therma1 CondUCtiVity of Si1icone Rubber FJ 11 ed with ZnO[J].Polymer CompositeS,2007, 28f2):】25-130 本研究得到广州市重点实验室建设项目 (2012-224-7)的资助。 [5]Kemaloglu S,Ozkoc G,Aytac A. PrOperties 0f thermally conductive micro 参考文献 [1]Wu Y P,Zhao Q S,Zhao S H,et a1.The Inf1uence of In Situ Modification of Si1ica on Fillet Network and Dynamic Methanj Ca1 Properties of Sj 1ica—Fi11ed and nan0 Sj ze boron nitride reinforCed si licon rubber compos J tes[J].Thermochi mi ca Acta,2010,499(1):40—47 [6]Inoe KazUO.Oriented pattiCles containing rubber sheets lP J.Jpn Kokaj Tokkyo Koho,JP06254869,1 994 Solution Styrene—Butadiene Rubber[JJ.Appl 《广东橡胶》2015年第1 0期 7 [7]Nasr G M,Badawy M M,Gwaily S between heat generation and crosslinking E, Shash M N,Hassan H H. Thermophysical density of vulcanized rubber[J]. Materials properties of butyl rubber loaded with Science Forum.2012;704—705:541—545 different types of cmrbon black[J]. [13]Sedigheh Soltani,Foroud Abbasi Polymer DegradatiOn and Stability, 1995, Sourki. Effect of carbon b1ack tYPe 48(2):237—241 on viscous Heating,Heat bui1d-up,and [8]Gwaily S E,Badawy M M,Hassen H relaxation behaviour of SBR compounds[J]. H,et a1.Natural rubber composities as Iranian Polymer Journa1.2005,14(8):745一 thermal neutron radiation shield--B4C/NR 751 composites[J].Polym Test,2002,21(2): 何曼君.高分子物理.上海:复旦大 129—133 学出版社 2007,第八章 [9]Gwaily S E,Badawy M M,Hassen [15]朱敏.橡胶化学与物理.北京:化学 H H,et a1.Natural rubber composites as 工业出版社.1984,第五、十章 thermaineutron tadiation shie1ds(I I): [16]霍尔曼.传热学.北京:机械工业出 H3BO3/NR composites[J].Polym Test,2002, 版社.2008,第一、二章 21(5):513—517 [17]A.I.Medalia.Effective Degree [101 B.P.Holownia.Temperature of Immobi1ization of Rubber Occluded Bui idup in Bonded Rubber Blocks Due to within Carbon Black Aggregates[J].Rubber Hysteresis[J].Rubber Chem Techno1.1976, Chemistry and Technology.1972,45(5): 50:I86—193 1171—1l94 [11]Dong Myung Park,Won Hi Hong, [18]A.I.Medalia.Elastic Modulus Sang Goo Kim b, et a1.Heat generatiOn of Vu1canizates as Related to Carbon of filled rubber vulcanizates and its Black Structure[J].Rubber Chemistry and re1ationshiP with vu1canizate network Technology.1973,46(4):877-896 structures[J].European Polymer Journa1. [19]Medalia A.I.Heat generation 2000,36:2429-2436 in e1astomer comPounds:cause s and [12]Qinghong Fang,Shunli Zhou,Na effects[J].Rubber Chem Techno1.1991,64: Wang, et a1.The research on re1ationship 481—492 ・ (上接第28页)乳生产,但相关基因并没有受到明 1600个胶乳蛋白以及404个响应乙烯刺激蛋白, 显诱导,这一直是困扰天然橡胶生物合成机 进而通过磷酸化蛋白质组技术,鉴定了59个磷酸 制研究的一个谜。该团队通过定量蛋白质组DIGE 化胶乳蛋白质。分析这些差异蛋白可能的生物学 和i TRAQ技术,首次绘制了巴西橡胶树胶乳全蛋 功能,并进行了后续部分功能验证,发现乙烯刺 白2一D DIGE凝胶图谱,并通过高端生物质谱鉴定 激胶乳增产,主要在蛋白质翻译后修饰水平。 到143个乙烯应答蛋白,通过iTRAQ技术,获得了 《中国橡胶网》 

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