丙烯酸酯压敏胶低温热导率测试研究

张建可

（兰州物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，甘肃 兰州 730000）

1 引言

丙烯酸酯类压敏胶是目前应用最为广泛的压敏胶之一，它是丙烯酸酯单体和其他乙烯类单体的共聚物，与其他压敏胶相比具有以下特点：具有优异的耐候性和耐热性；无相分离和迁移现象，透明性好，耐油性佳；粘接性能好；无毒，对皮肤无影响，适用于载人航天器舱内使用。因此，在航天器上得到了广泛应用。由于压敏胶主要用于表层防护层与部件、部件与部件之间的粘接，不仅起着粘接作用，而且起着传热的作用。在需要较好热交换的部件表层或连接之间，压敏胶热导率就显得尤其重要。对于低温部件，其低温下的传热特性就更加重要，但这方面的研究工作较少，不能满足目前发展的需求。随着航天器中压敏胶应用的增加，了解、掌握压敏胶的低温热导率是非常必要的。作者主要介绍了压敏胶低温热导率测试，并对其低温热导率数据变化规律和影响因素进行了分析讨论。

2 低温热导率的测试装置和试样

2.1 测试装置

考虑到压敏胶的热导率是各向同性，因此采用传统的一维稳态热流法的双试样平板热导仪［1～3］进行测试。装置如图1所示。该装置使用两块相同试样同时进行测试，是较成熟的标准试验方法，测试过程这里不再叙述。

图1 双试样平板低温热导率测定示意图

2.2 试 样

试样制备有一定的特殊性。制备时，采用丙烯酸酯压敏胶液浇注到模具之中，在荫凉室内放置数月，待压敏胶基本成形后使用。对于压敏胶试样，很难与要求的试样厚度相同。因此，可以采用一次浇注成形的方法，也可以采用多层叠厚的方法。由于压敏胶成形后仍然具备压敏胶的黏性，因此，叠厚时不用再加入粘接剂就可以粘接的很好，每层之间的接触热阻可以忽略不计。同样，低温下的接触热阻也可以直接利用压敏胶的自粘接性能直接与冷板和加热器粘接来消除。需要考虑的是试样装配时的压紧力大小，施加的压紧力应该保证试样被压紧粘接良好，又要保证试样厚度压缩小于5%。作者试验用丙烯酸酯压敏胶样品由北京康拓科技开发总公司光学室研制并提供。在试样装配时，要多次测量试样厚度，取算术平均值。测试中，根据试验的误差分析理论，试样的温差控制在5～7℃左右，不能太大也不能太小，以减少测量误差。测试中，试样平均厚度为6.35 mm，试样直径为110 mm。

2.3 计算公式

按式（1）［1］计算丙烯酸酯压敏胶的低温热导率

式中λ为丙烯酸酯压敏胶的低温热导率，W/（m·K）；Q为试样主加热器加热功率，W；ΔZ为丙烯酸酯压敏胶试样平均厚度，m；A为丙烯酸酯压敏胶试样的截面积，m2；ΔT为试样冷热面温差，K。

3 丙烯酸酯压敏胶低温热导率测试数据与分析

丙烯酸酯压敏胶低温热导率的测试结果如表1所列，热导率与温度关系曲线见图2所示。

表1 丙烯酸酯压敏胶低温热导率的测试数据

图2 丙烯酸酯压敏胶低温热导率与温度关系曲线

由丙烯酸酯压敏胶低温热导率与温度关系曲线可以看出，丙烯酸酯压敏胶热导率随温度下降而增加，这一变化规律与一般液体热导率与温度关系变化规律相似，但与固态材料的热导率与温度关系变化规律不同。压敏胶体是属于可改变形状的高聚物固态材料，在常温下其结构为大分子结构，很少有晶体结构存在[4]，有一定的柔软性。当温度下降到玻璃态温度以下时，高聚物的物理性能逐步发生变化。对于丙烯酸酯压敏胶，其玻璃化转变温度约在0℃左右。当温度下降到0℃，丙烯酸酯压敏胶的分子结构发生变化，大分子链段结构逐步停止运动，失去弹性，整体发生收缩，冻结成无定型状态的固体。这个过程是下降到玻璃态温度以下后逐渐形成的。由于丙烯酸酯压敏胶的分子结构发生了变化，其物理性能也发生了变化。这不是简单的相变，如果是物质的相变，其物理性能的变化是突变，而这是属于玻璃态转变。由于转变是渐变的，因此，其物理性能的变化也是渐变的。很显然，由于丙烯酸酯压敏胶结构整体发生收缩，冻结成无定型状态的固体，因此其热导率逐渐变大是可以理解的。测试结果完全符合这一结构变化分析，说明了温度越低丙烯酸酯压敏胶的传热性能变好。这一特点，可作为航天压敏胶应用的特殊用途。测试结果也表明了，测试中接触热阻是基本消除的，因为，如果存在较大接触热阻，热导率的测试数据将会大大减小。消除热阻的主要原因是由于压敏胶自粘性能起了重要作用，将试样与测量装置的冷、热面较好的粘接在一起，消除了大部分接触热阻［2］。

4 结论

（1）采用一维稳态热流法的护热平板热导仪，可以较好的对压敏胶试样进行热导率测量，压敏胶本身的自粘性能可以较好的消除接触热阻；

（2）丙烯酸酯压敏胶的低温热导率数值在0.2～0.5 W/［（m·K）］之间，随着温度下降，热导率数值增加。

[1]GJB323-87，《绝热材料低温稳态热导率测试方法》［S］.

[2]朱贤，冀勇夫，党震，等.绝热材料低温热导率测定方法研究［J］.低温物理，1981，3（4）：334～339.

[3]张建可.多层绝热的间隔材料有效低温热导率测试研究［J］.真空与低温，2007，13（1）：38～40.

[4]张留成，翟雄伟，丁会利.高分子材料基础［M］.北京：化学工业出版社，2007.