馬連湘,崔　琪,張方良,何　燕,高福正(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島　266061)

摘要:采用正交試驗(yàn)法研究炭黑N330,N339和N351用量對子午線輪胎胎面膠導(dǎo)熱特性的影響。結(jié)果表明,3種炭黑對膠料導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)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(guān)系;膠料導(dǎo)熱系數(shù)隨炭黑總用量的增大呈上升趨勢。

關(guān)鍵詞:炭黑;子午線輪胎;胎面膠;導(dǎo)熱系數(shù);正交試驗(yàn)法

中圖分類號:TQ330.38+1;U463.341+.6文獻(xiàn)標(biāo)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(fù)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(dāng)輪胎溫度超過臨界溫度時,就有可能發(fā)生爆胎現(xiàn)象。因此,輪胎熱量的及時傳遞逐漸成為配方設(shè)計中不容忽視的問題,目前國內(nèi)這方面的研究正處于起步階段?；旌衔锏膶?dǎo)熱遵循加和法則[2],因而橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)因所加填料的種類和用量而異,炭黑作為橡膠工業(yè)中最重要的補(bǔ)強(qiáng)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(chǔ)上,用正交試驗(yàn)法研究炭黑N330,N339和N351用量對胎面膠導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

1　實(shí)驗(yàn)

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(chǎn)品。炭黑N330,N351和N339,天津海豚炭黑有限公司產(chǎn)品。

1·2　主要測試儀器

LFA447型激光導(dǎo)熱儀,德國耐馳公司產(chǎn)品。

1·3　試驗(yàn)方案

試驗(yàn)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(jìn)劑　1,炭黑　變品種、變量。

試驗(yàn)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(jī),將生膠及配合劑按照設(shè)計的方案混煉,放置一段時間后在HS-100T-FTMO-2RT型平板硫化機(jī)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(yàn)前半小時,向激光導(dǎo)熱儀內(nèi)倒入適量液氮,調(diào)節(jié)外接循環(huán)水控制裝置,設(shè)置溫度使其高于室溫2~3℃,預(yù)熱儀器。

(2)用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺進(jìn)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(jìn)行石墨涂層。

(4)將試樣放入樣品孔,打開測量軟件,設(shè)置參數(shù),開始測試。

試驗(yàn)過程中每隔3.5 h灌1次液氮。

根據(jù)研究及汽車行駛經(jīng)驗(yàn)[3],選定測試溫度為30,50,60,70和90℃。

2　結(jié)果與討論

2·1　試驗(yàn)誤差分析

(1)校核試驗(yàn)

用耐馳公司提供的Pyrex(高溫玻璃)標(biāo)樣做校核試驗(yàn)。由于導(dǎo)熱系數(shù)由比熱容和熱擴(kuò)散系數(shù)測定值通過分析軟件計算求得,因此只需對比熱容和熱擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行校核,測試數(shù)據(jù)如表3和4所示。由表3和4可見,熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容測定的相對誤差都較小,滿足試驗(yàn)準(zhǔn)確性要求。

(2)重復(fù)性試驗(yàn)

取試樣進(jìn)行重復(fù)性測定,結(jié)果見表5。由表5可見,導(dǎo)熱系數(shù)測定的相對誤差最大為±1.43%,重復(fù)性良好。

2·2　正交試驗(yàn)結(jié)果

溫度為30℃時,測得1~9號膠料導(dǎo)熱系數(shù)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(shù)據(jù)正交分析結(jié)果見表6。由表6可見,各因子對導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)正交分析優(yōu)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(xiàn),與其較接近的是9號配方。實(shí)際測試結(jié)果也可看出,9號配方膠料的導(dǎo)熱系數(shù)最高。為了確定方案A3B3C3的可行性,又進(jìn)行了一次試驗(yàn)(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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)測定結(jié)果如圖1所示。由圖1可見,方案A3B3C3膠料(10號)導(dǎo)熱系數(shù)最高,可見A3B3C3是獲得胎面膠高導(dǎo)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(dǎo)熱性能的提高能力強(qiáng)于炭黑

N339,兩種炭黑的根本區(qū)別在于粒徑大小,可見對于同一系列炭黑,膠料導(dǎo)熱系數(shù)隨炭黑粒徑的增大而增大。

部分試樣導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可以看出,導(dǎo)熱系數(shù)與溫度具有良好的線性關(guān)系。

膠料導(dǎo)熱系數(shù)與3種炭黑總用量的關(guān)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(dǎo)熱系數(shù)呈上升趨勢。

3　結(jié)論

(1)采用正交試驗(yàn)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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)隨炭黑粒徑的增大而增大,并與溫度有較好的線性關(guān)系;膠料導(dǎo)熱系數(shù)隨炭黑總用量的增大呈上升趨勢。