热老化橡胶的导热率的测量和分析*

刘崇进，贝承训，彭传正，周小明，林春景(广东白云学院，广东广州50450;华南理工大学，广东广州50640)

热老化橡胶的导热率的测量和分析*

刘崇进1，贝承训2，彭传正1，周小明2，林春景1
(1广东白云学院，广东广州510450;2华南理工大学，广东广州510640)

为了适应测量热老化橡胶的导热率，改进了传统的稳态法测定导热率的测量方法。用该方法测量了热老化橡胶的导热率，并对热老化橡胶的导热率的变化机理进行了初步探讨。

导热率，稳态法，热老化，机理

导热率又称热导系数，用来衡量材料的导热性能和保温性能，是反映材料热性能的重要物理量。热传导是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题。材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要精确测定。测量导热系数的方法一般分两类:一类是稳态法［1－3］，另一类是动态法［4－6］。动态法测量材料的导热率比较方便，发展比较快，但稳态法测量导热系数是经典而又精确的测定方法，一般用稳态法来校正动态法测量的导热率，至今仍受到广泛应用。

采用复旦天欣科教仪器公司制造的导热系数测定仪，如图1所示，来测量导热系数。依照该说明书，通过调节加热开关K，即加热开关不断地在高功率(220V)、低功率(110V)和断开电源(Off)的档位交换，以便保持加热铜盘A的稳态温度不变，同时在十分钟内测出散热铜盘C的稳态温度也不变，这需要很高的实验技巧。经验表明，在说明书规定的误差范围内(±0.03mV)，测出相应的稳态温度，实验的难度很大，也不适合测量热老化材料的导热率。因此，我们对该装置的实验方法进行了改进。采用改进后的实验方法来测量固态材料的导热系数，只要选择适合的高于室温的温度，加热开关K打到低功率档位，过一段时间后，能测出稳态温度。实验方法改进后，实验方法简化了，实验难度减少了，实验的精度也得到了提高，而且适合测量热老化材料的导热率。

图1 稳态法测定导热系数实验装置Fig.1 The instrument formeasuering thermal conductivity on the steady-state thermal behaviour

1 实验

1.1 实验器材

实验仪器如图1所示，是复旦天欣科教仪器公司制造的导热系数测定仪。A是铜制的加热铜盘;B是被测试的样品;C是铜制的散热铜盘;K是加热开关，能够拨到高功率(220V)、低功率(110V)或断开电源(Off)的档位。在加热铜盘A和散热铜盘C各有一小孔，用来连接热电偶，热电偶是铜－康铜热电偶。热电偶一端插入保温瓶中，以便测出加热铜盘A和散热铜盘C的温度，单位为mV示数;D是换向开关，分别测量加热铜盘A和散热铜盘C的温度。本实验研究中，保温瓶中装了室温的水，被测试的样品B是橡胶圆盘，在测试过程中室温的变化不大于(±2℃)。

1.2 实验原理

稳态法测量导热系数原理是法国科学家傅立叶(J.Fourier)在1882年建立的一维稳态热传导模型［4－6］。根据这个模型，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h、温度分别为T1、T2的平行平面(设T1＞T2)，若T1、T2达到稳态，样品的平面面积为S，在△t时间内通过面积S的热量△Q满足下述表达式［3－6］:

傅立叶的一维稳态热传导模型还认为在稳定传热过程中，传热速率等于散热速率。也就是说，当热传导达到稳定状态时，T1、T2的值不变，于是通过被测样品盘B表面的热流量与散热铜盘C向周围环境散热的速度相等。因此，可通过散热铜盘C在稳定温度T时的散热速率(来代替热流量2放选取临近T的温度数据，散热铜盘C在T的22散热速率:

(3)式中m为散热铜盘的质量，C为铜的比热容，R为样品的半径，h为样品的厚度。试验中，在测得稳态时的T1和T2后，即可将B盘移去，而使盘A的底面与铜盘C接触。当散热铜盘的温度上升到高于稳定温度T2值后，再将圆盘A移开，让散热铜盘自然冷却。观察其温度T随时间变化情况，ΔT是在Δt时间内、在T1T2之间的散热温度的温度差。

1.3 实验方法

热电偶接入到加热铜盘A的小孔，测量较高的稳态温度T1。热电偶接入到散热铜盘C的小孔，测量较低的稳态温度T2，被测试的样品B是橡胶圆盘。铜是热的良导体，测得的T1和T2，就是被测样品橡胶圆盘的上下两个表面的稳态温度。实验中仪器显示的是热电偶的毫伏示数，热电偶的电压(毫伏示数)与温度(摄氏度)有一一对应的关系。

根据仪器的说明书，稳态法测量T1和T2时，加热开关K打在220V档，加热一段时间后，加热铜盘的温度示数为4.00mV时，即可将开关K拨至110V档，待加热铜盘的温度降至3.50mV左右时，通过手动调节加热开关K，分别拨到电压220V档、110V档及0V档，使读数在误差±0.03mV范围内，保持加热铜盘的温度为3.50mV，同时每隔2分钟记下样品上下圆盘的温度数值。当散热铜盘C的数值在规定的时间内(如10分钟)不变，就测出了稳态温度T1和T2。我们通过大量的实验，发现手动开关换挡时，很难控制加热的时间，容易造成较大误差。在规定的误差范围内(±0.03mV)和规定的时间内，很难测出稳态温度T1和T2，实验成功的概率不高，无法实时地测量热老化材料的导热率。

为了减少手动开关换挡时造成的误差，能够实时地测量热老化材料的导热率，我们对该测量装置的实验方法进行了改进。做测试时，先要确定加热铜盘适合的温度(毫伏示数)，如高于室温2.50mV－3.50mV的范围内。加热开关K打在220V档，加热一段时间后，即加热铜盘的温度到达选择的温度毫伏示数时，将开关拨至110V的低功率档位，让其自然加热。在相同的误差范围内，自然加热到一定的时间，加热铜盘和散热铜盘的温度能够达到稳态。这样，就测出了稳态温度T1和T2。只要保持室温不变，一直加热，使材料发生热老化，在确定的时间内实时测出稳态温度T1和T2，由公式(3)，可算出不同时间的材料热老化的导热率。

2 结果与讨论

2.1 原实验方法测量较高的稳态温度T1和较低的

稳态温度T2的分析

根据原来的实验方法，采用稳态法测量T1和T2时，加热开关K打在220V档，加热一段时间后，加热铜盘的温度示数到达4.00mV时，即可将开关K分别拨到电压220V档、110V档及0V档，使读数在误差± 0.03mV范围内，保持加热铜盘的温度为3.50mV。当加热铜盘的温度低于3.50mV，加热开关K连接到220V档时，加热的时间很难掌握，加热时很容易超过3.5mV。当加热铜盘的温度高于3.5mV，加热开关K连接到0V或110V档时，散热的时间也很难掌握，散热时很容易低于3.50mV。由于加热铜盘的温度很难保持于3.50mV，散热铜盘的温度就很难在误差范围内达到稳态。或者说，测出的稳态温度的误差比较大，要超过规定的误差范围。

用原来的实验方法测量稳态温度T1和T2时，需要不断地改变加热开关K，在220V档220V档、110V档及0V档转换。如果测量热老化材料的导热率，为了长时间保持T1为3.50mV，就需要长时间地转换加热开关。这样长时间地转换加热开关，成功地完成实时测量是非常困难的。因此，原实验方法不适于测量热老化材料的导热率。

2.2 改进后的实验方法测量较高的稳态温度T1和

较低的稳态温度T2的分析

加热开关K拨在220V档，加热一段时间后，加热铜盘的温度到达选择的温度(毫伏示数)时，即加热铜盘的温度到达3.50mV，将开关拨至低功率档位，即110V档，让其自然加热，加热铜盘和散热铜盘的温度达到稳态后，记录其温度随时间的变化数据。本实验中，开始加热老化1小时，加热铜盘和散热铜盘到达稳态，之后每隔1小时，测量一次加热铜盘的稳态温度T1和散热铜盘的稳态温度T2;而测量稳态温度时，每隔2分钟连续测量三次，求出平均值，以便保持测量精度，数据如表1所示。

表1 加热铜盘的稳态温度T1和散热铜盘的稳态温度T2随时间t变化的数据Table 1 The steady-state temperatures of the heating copper and the dissipating heat plate with the thermal-ageing time

从表2中的数据可以看出，加热铜盘的稳态温度T1随着时间的增加变化比较大;散热铜盘的稳态温度T2随着时间的增加，变化比较小。每次测量稳态温度时，在每隔2分钟的后续稳态温度几乎不变，测量的误差在(±0.01mV)内，比原来实验方法的测量误差±0.03mV小多了。因此，改进的实验方法不但适合测量热老化材料的导热率，由于不用手动调节加热开关K，简化了实验方法，减少了实验难度，测量精度也得到大大提高。

2.3 热老化橡胶的导热率的测量和分析

散热铜盘的质量m=0.900kg，铜盘的比热C= 390.00J/(kg.℃)，铜盘的厚度h=8.00mm，铜盘的半径R=64.60mm，测量散热速率［ΔT/Δt］T=T2时，由表2的数据确定。

表2 测量散热速率时散热铜盘的温度T2’随时间变化的数值Table 2 The temperatures of the dissipating heat plate vs.the thermal-ageing time formeasuring the heat-dissipating ratio

由公式(3)，可以算出橡胶圆盘的散热系数在热老化时间分别为1、2和3小时后的大小为:λ1= 0.454 w/(m·℃)、λ2=0.532 w/(m·℃)和λ3= 0.519 w/(m·℃)。橡胶的热导率随热老化时间的变化关系如图2所示。从图2可以看出，随着老化时间的增加，橡胶的导热率变大了。

图2 橡胶的热导率随热老化时间的变化Fig.2 Thermal conductivities of the rubber with the thermal-ageing time

热老化反应主要是热氧化反应、断链和重新交联等反应，这些反应对橡胶的性能如机械性能，弹性和颜色等具有影响［7－9］，实验中橡胶样品热老化的温度不高，最高电压值为3.11mV的铜—康铜热电偶对应的最高温度值为75℃，老化时间也不长，老化完后，橡胶样品除了变得稍微硬一点外，没有其他的变化。可以肯定，厚度为8.00mm的橡胶样品内部没有发生热氧老化反应。

杨谷湧提出了用导热率数据作为指标来评估老化的可能性，指出随着热氧老化的进行，交联密度的变化会引起导热率的变化;交联密度的变化直接影响橡胶的热力学性能［9］，交联密度下降，导热率降低，橡胶变软。本实验结果显示，橡胶内部没有发生热氧老化反应，没有产生断链，而是增加了交联反应，交联密度增加，导热率变大，橡胶变硬。

3 结论

(1)采用原来稳态法的实验方法测量导热系数时，实验难度大，加热或散热的时间控制不当会产生较大的误差，不适合实时测量热老化橡胶的导热率。

(2)采用改进后的实验方法，减少了实验难度，提高了实验精度，适合实时测量热老化橡胶的导热率。

(3)采用改进后的实验方法，比较精确地测出了热老化橡胶的导热率。在一定的时间内，橡胶的导热率随着老化时间的增加变大了。

(4)热老化温度低、时间短，橡胶内部没有发生热氧老化的断链反应，而是增加了交联反应，交联密度增加了，导热率变大，橡胶变硬。

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致谢:本文是由广东省高教协会资助的课题(项目号:协会109号)，本文的完成得到了广东白云学院和华南理工大学实验室的大力支持。故作者特别感谢广东省高教协会、广东白云学院和华南理工大学实验室的领导和同仁。

Analysis and M easurement of the Thermal Conductivity of the Thermal-ageing Rubber

LIU Chong-jin1，BEICheng-xun2，PENG Chuan-zheng1，ZHOU Xiao-ming2，LIN Chun-jing1
(1 Guangdong Baiyun University，Guangzhou 510450，Guangdong，China; 2 South China University of Technology，Guangzhou 510641，Guangdong，China)

The experimental process of the steady-state thermal behaviour is improved in order to adapt to testing the thermal conductivities of the thermal-aging rubber.The thermal conductivities of the thermal-ageing rubber tested through this experimental process and mechanism of the thermal-conductivity alteration was discussed.

thermal conductivity，steady-state thermal behaviour，thermal ageing，mechanism

TQ330.1+4

2012－05－21

广东省高教协会资助课题(项目号:协会109号)