BPA发泡点分析仪的测试理论和计算式.pdf

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1、BPA发泡点分析仪的测试理论和计算式12王朱遗，张庆华［1.兴源轮胎集团有限公司，山东东营257336；2.弘埔技术（香港）有限公司，上海201615］摘要：BPA发泡点分析仪是研究橡胶硫化发泡特性的仪器。BPA发泡点分析仪依据无界薄板热传导计算式表征硫化试样任一位置温度和热扩散系数；依据阿累尼乌斯公式，通过列表法和绘图法表征胶料的硫化活化能、等效硫化时间和发泡时间。关键词:发泡点分析仪；橡胶硫化；发泡点；热扩散系数；等效硫化时间；活化能橡胶中的气体在一定条件下溢出而产生气孔[1]，但用于分析橡胶气泡的仪器鲜有所见。日本上岛制作所研发的BPA发泡点分析仪是专门用于测试橡胶硫化时

2、发泡特性的仪器，于2007年问世，是轮胎、密封橡胶件、减震橡胶件、胶管和胶带等橡胶制品硫化发泡点的测试工具，可用于控制硫化工艺和辅助胶料配方设计。橡胶硫化发泡的概念是：在硫化程度较低状态下溶于橡胶内的气体会因硫化失压呈过饱状态而导致橡胶发泡，发泡终止所对应的硫化时间称为发泡点。BPA发泡点分析仪的测试理论及计算式如下。1橡胶产生气泡（孔）的原因气体在橡胶中的溶解情况与气体在液体中的溶解情况基本相同。模拟实际模压硫化状况，橡胶中气体含量与硫化压力的关系如图1所示。图中，溶解度曲线（饱和蒸汽压）上部区域为气体溢出区域，曲线下部区域为气体溶于橡胶的区域。A点和B点的气体量相同，但B点

3、表征常压下溶于橡胶中气体量较少，A点表征高压下溶于橡胶中的气体较多，即硫化开始后，B点压力迅速升到预定值A点，B点未溶于橡胶的气体在A点的高压下溶解度提高而溶解于橡胶，也就是说溶于橡胶中的气体量增大直至全部溶解；硫化卸压时，因卸压时间甚短，即A点至B点越过了溶解度曲线，原溶于橡胶内的部分气体过饱和而游离出来发泡而形成气孔。图1橡胶中气体含量与硫化压力的关系2BPA发泡点分析仪的热传导分析BPA发泡点分析仪的硫化模腔为锲形模腔，模腔内硫化试样的纵向断面为梯形，如图2所示。硫化时模具为热源，试样中心线上各点离热源的距离不等，在硫化过程中试样中心线各点的温度不同（但是连续的），硫化程

4、度随着试样厚度增加而减小。橡胶硫化的热传导属于不稳定热传导，因此BPA发泡点分析仪的硫化热传导计算式采用无界薄板热传导计算式，[2]以此计算试样任一位置温度和热扩散系数。橡胶试样图2硫化型腔内硫化试样的纵向断面示意无界薄板热传导计算式为：TsTc421212exp2exp92exp252......TsTo4h34h54h（1）式中，Ts——模具（热源）表面温度，℃；Tc——试样中心温度，℃；To——试样初始温度，℃；τ——试样热传导时间，s；2-1χ——试样热扩散系数，cm·s

5、；2h——试样厚度，cm。由于式（1）是收敛级数，计算时只取首项，因此可利用式（1）中的已知参数求其它参数，即已知温度和试样厚，可求得χ。χ和Tc的计算式为：4ln-ln24h（2）24224hTeTsTo（3）c对于BPA发泡点分析仪，用（Ts-Tc）/（Ts-To）表征试样温度不饱和度α，即α=（Ts-Tc）/（Ts-To），ατ则为τ时的α。试样Tc曲线与α曲线如图3所示。从图3可以看出，随着硫化时间的增加，Tc上升，α减小，即试样与热源的温差逐渐减小。将图3中的α取对数绘出图4。从图4可以看出，lnα与Tc呈线性相关（最初20s除外），这

6、种相关有利参数计算。1—Tc曲线；2—α曲线。图3Tc曲线和Lnα曲线1—Tc曲线；2—lnα曲线。图4Tc曲线和lnα曲线22以τ/h为横坐标、lnα为纵坐标做图5，根据计算式（3）推出lnα与τ/h的关系：24lnln（4）24h24lnln（5）24h2即lnα与τ/h相关，故可根据试样不同位置所测温度，推算出中心线上任意点的温度，同时获知任意点的χ。3橡胶流变性能和气泡（孔）产生时间橡胶起泡时间（起泡点）tB为硫化开始后发泡起始时间，起泡转矩MB为tB对应转矩，发泡时间（发泡点）tBP为硫化起始后发泡终止的时间，发泡转矩MBP为t

7、BP对应的转矩，发泡域时间为tBP－tB，这些参数如图6所示。2图5lnα与τ/h的关系扭矩MBPMBtBtBP硫化时间图6硫化曲线上的发泡参数表征已经溶于橡胶内的气体随着橡胶交联密度提高，溢出橡胶的能力降低，在tBP后仍溶于橡胶的气体即被认为已固定在交联网格之内，不可能溢出发泡形成气孔。4活化能及等效硫化时间的计算4.1活化能采用阿累尼乌斯公式计算活化能Ea。（1）列表法直接用Excel的slope函数计算Ea的实例如表1所示（温度T和t90的单位分别为K和min）。表1Ea列表法示意温