X射线多晶体衍射（XRD）

0 前言
橡胶热物理性能的研究对于橡胶的加工及成品的使用均有极其重要的影响，导热系数是其中一个重要指标。目前人们主要在温度、结晶度及晶体取向等方面对其导热系数进行了一系列的研究。硫化是橡胶与配合剂分子重组的过程，随着硫化的进行，橡胶的导热特性也会随之改变。碳黑是橡胶重要的填充剂，其填充量的改变对橡胶导热特性的影响也不容忽视。本文采用闪光导热仪测量了硫化前后N115碳黑用量改变条件下橡胶的导热系数，针对碳黑及硫化这两个因素的影响做了一系列研究，以期对橡胶实际的加工、生产有所助益。
1 实验
1.1 原材料(质量份)
SBR1502 20，SBR1712 60，BR9000 20，N115碳黑变量，其它配合剂为橡胶轮胎工业胎面胶常用助剂。
1.2 实验装置
本实验采用闪光导热分析仪LFA 447NanoflashTM对热扩散系数进行测量。该导热仪使用氙灯作为加热源加热样品表面，使用红外探测器读取样品温升，减少了潜在的表面热阻。
1.3 实验原理
在一定的设定温度T(恒温条件)下，由激光源(或闪光灯)在瞬间发射一束光脉冲，均匀照射在样品下表面，使用红外探测器测量样品上表面中心部位的相应温升过程，得到温度升高对时间的关系曲线。通过半升温时间(在接收光脉冲照射后样品上表面温度升高到最大值的一半所需的时间)t90。(或称t1/2)，由下式：
α=0.1388d2/t50 (1)
即可得到样品在温度T下的热扩散系数α。式中，d为试样的厚度。
导热系数λ由下式求得：
λ=αOCPP (2)
式中，CP为橡胶的比热；ρ为橡胶的密度。
比热是通过试样与参比样品比较求得的。密度由微电脑比重材料天平测得。1.4 试样制备
使用S(X)160A型双辊筒炼胶机，将生胶及配合剂混炼，取部分压制成厚度1.5-2 mm的胶片，放置8 h。其他胶料放入HS-100T-FT-MO-2RT型平板硫化仪进行硫化。硫化条件为160℃15 min。
测试时将胶料切成直径为12.5-12.7 mm的圆形薄片，且保证试样上下表面光滑、平整。
1.5 实验步骤
(1)实验前半小时，向仪器里倒入适量液氮，调节外接循环水控制仪，设置温度使其高于室温2-3℃，预热仪器。
(2)用精度为0.02 mm的游标卡尺对试件的厚度进行三次测量，取其平均值作为试样的厚度。
(3)用酒精将试样擦拭干净，晾干。在试样的上下表面进行均匀的石墨镀层。
(4)将试样放入样品孔，打开测量软件，设置参数，开始测试。
实验过程中每隔3.5 h灌一次液氮。实验结束后关闭所有电源。
1.6 实验条件
本实验改变胶料中N115碳黑的质量分数：70、75、80测试温度为25-60℃。
2 结果与讨论
2.1 碳黑用量对硫化前橡胶导热特性的影响
图1(略)是在橡胶硫化前碳黑含量为70、75、80的条件下，温度与导热系数的关系曲线。从图中可以看出，导热系数随着温度的升高大体呈现上升趋势，并且随着碳黑用量的增加而有所降低。
以往的研究，在碳黑含量少的情况下，导热系数随碳黑用量的增加而增大。从本实验结果可以看出，当碳黑的含量在高范围变动时，橡胶的导热特性反而有所降低。分析原因如下：我们知道，碳黑自身的导热特性要高于橡胶，碳黑粒子间是以范德华力相互吸引的，稳定性差。但在碳黑与橡胶混炼后，其形态特征以及橡胶的链结构会受到剪切力的破坏，碳黑自身的导热性能降低。但是随着碳黑的含量从70增加到80份，碳黑填充到单位体积橡胶中的数量增多，在混炼的过程中产生的剪切力也越来越大，聚集体的形态特征受到的破坏程度也就随之大大增加。当由于聚集体结构的破坏对导热的影响大于碳黑自身对其的影响时，就会出现本实验得出的结果。
2.2 硫化对橡胶导热特性的影响
图2、3、4(略)分别是碳黑填充量为70、75、80份时，硫化前后橡胶导热系数随温度变化的关系图。表1、2、3为碳黑含量为70、75、80份时，硫化前后橡胶导热系数具体的对比差值。通过对比可以看出，硫化前橡胶的导热系数要大于硫化后的，且碳黑含量为70份时，两者的差值在0.007-0.041之间；碳黑含量为75份时，两者的差值在-0.001-0.028之间；碳黑含量为80份时，两者的差值在-0.006-0.008之间。可见随着碳黑用量的增加，硫化前后橡胶导热系数的差距逐渐减小。
表1 碳黑含量为70份时硫化前后橡胶导热系数对比差值
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表2 碳黑含量为75份时硫化前后橡胶导热系数对比差值
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表3 碳黑含量为80份时硫化前后橡胶导热系数对比差值
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这可能是因为橡胶在未经硫化以前，单个分子之间没有产生交联，分子成链状结构，经过硫化后，分子之间产生交联，形成牢固的三维网状结构，粒子间作用力主要是牢固的化学键力。热传导的实质是由于微观粒子的相互作用和相互碰撞，微观粒子间作用力增大，其运动的阻力就随之增大，从而导致橡胶的导热性能降低。碳黑的用量增大，碳黑在橡胶中所占的比例增加，因为碳黑自身就是网状结构，从而从整体上降低了橡胶分子交联对其导热性能的影响，硫化前后的导热系数的差值随碳黑用量的增加而逐渐减小。
3 结论
(1)橡胶的导热系数随着温度的升高而呈现出增加的趋势。当碳黑的含量在高范围变动时，硫化前橡胶的导热特性随着碳黑用量的增加而降低。
(2)将硫化前后橡胶的导热系数数值进行对比发现，硫化前橡胶的导热系数大于硫化后的，且两者的差值随碳黑用量的增加而降低。