Исследование теплоемкости ненаполненных вулканизатов

ВИАМ/1985-199433
Исследование теплоемкости ненаполненных
вулканизатов, применяемых в резиновой
промышленности
X.Э. Мамедов
Р.А. Мустафаев
И.М. Агаянц
В.Н. Кириллов
Сентябрь 1985
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Известия
высших учебных заведений. Нефть и газ», № 3, 1986 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Исследование теплоемкости ненаполненных вулканизатов,
применяемых в резиновой промышленности
X.Э. Мамедов, Р.А. Мустафаев, И.М. Агаянц,
В.Н. Кириллов
Настоящая работа посвящена определению в широком диапазоне
температур (от 133 до 373 К) удельной теплоемкости ряда ненаполненных
вулканизатов на основе каучуков, широко применяемых в промышленности.
В литературе [1, 2] имеются отрывочные сведения о результатах
измерения
теплоемкости
вулканизатов
в
основном
при
комнатных
температурах и при этом практически нигде не указываются условия
проведения эксперимента. В то же время известно [3], что как температура
стеклования Т с , так и свойства высокоэластичных полимерных материалов во
многом определяются температурно-временными условиями проведения
эксперимента – результатами релаксационных процессов, происходящих в
полимере.
Нами удельная теплоемкость определялась на калориметре ДСМ-2М.
Использовались образцы массой 70–80 мг. Скорость охлаждения до
температуры 133 К – 64 К/мин, измерения проводились при скорости
нагревания 16 К/мин в диапазоне измерения теплового потока от 0 до 20·10-3
Вт. Погрешность эксперимента составляет ~7%.
Калибровка
калориметра
проводилась
по
образцовым
мерам,
прилагаемым к прибору, работоспособность проверялась по эталонной
бензойной кислоте [4]. На рис. 1 приведены относительные отклонения
результатов измерения бензойной кислоты на сканирующем калориметре от
данных [4]. Видно, что 𝛅 =
диапазоне температур.
𝒄изм−𝒄эт
𝒄эт
не превышает 6–8% во всем рабочем
Рисунок 1. Относительное отклонение удельной теплоемкости
бензойной кислоты от результатов [4]
На рис. 2 приведена типичная температурная зависимость удельной
теплоемкости одного из исследуемых вулканизатов (натуральный каучук).
Во всех случаях теплоемкость возрастает с увеличением температуры.
Скачок
теплоемкости
высокоэластическое
связан
состояние,
с
переходом
из
стеклообразного
сопровождаемым
в
размораживанием
сегментальной подвижности в аморфном полимере. За температуру
стеклования Т с условно принимается точка перегиба кривой с р =f(Т) в области
стеклования. Температурная зависимость удельной теплоемкости выше и
ниже области перехода аппроксимировалась аналитическими зависимостями,
представленными в таблице.
Рисунок 2. Зависимость удельной теплоемкости
натурального каучука от температуры
Каучук
Результаты калориметрического исследования
ненаполненных вулканизатов
с р =f(T) при T<T c ,
с р =f(T) при T>T c ,
Скачок
∆с р ·Т с ,
кДж/кг·К
кДж/кг·К
теплоемкости кДж/кг
∆с р , кДж/кг·К
Температура
стеклования Т с , К
Натуральный
208
с р =0,378+0,00250T с р =1,360–0,00227T+
+0,00000982T2
T∈(133,203)
T∈(213,373)
Изопреновый
213
с р =0,285+0,00322T с р =2,340–0,00841T+
СКИ-3
+0,0000205T2
T∈(133,203)
T∈(223,373)
Дивиниловый
108
с р =0,468+0,00150T с р =2,290–0,00913T+
СКД
+0,0000214T2
T∈(133,153)
T∈(183,373)
Бутадиен223
с р =0,364+0,00240T с р =2,518–0,00966T+
стирольный
+0,0000223T2
T∈(133,203)
СКС-30
T∈(233,373)
Этилен218
с р =0,312+0,00325T с р =1,571–0,00177T+
пропиле+0,00000873T2
T∈(133,213)
новый
T∈(223,373)
Хлоропре238
с р =0,227+0,00225T с р =1,522–0,00418T+
новый
+0,0000107T2
T∈(133,223)
T∈(253,373)
Бутилкаучук
208
с р =0,424+0,00200T с р =1,458–0,00372T+
+0,0000140T2
T∈(133,173)
T∈(223,373)
Бутадиен228
с р =0,324+0,00260T с р =2,323–0,00780T+
нитрильный
+0,0000178T2
T∈(133,213)
CКH-18
T∈(253,373)
Бутадиен238
с р =0,294+0,00300T с р =3,712–0,0182T+
нитрильный
+0,0000375T2
T∈(133,233)
СКН-26
T∈(253,373)
Бутадиен243
с р =0,476+0,00350T с р =5,113–0,0237T+
нитрильный
+0,0000438T2
T∈(133,223)
СКН-40
T∈(278,373)
0,44
92
0,55
115
0,63
106
0,56
125
0,60
131
0,40
95
0,53
110
0,53
121
0,50
115
0,55
134
Для характеристики стеклования по данным измерения теплоемкости
можно использовать эмпирическое соотношение [5, 6]:
Tс ∆cp=B,
где Т – температура стеклования, К; ∆с р – скачок теплоемкости при переходе
от стеклообразного состояния в высокоэластическое, кДж/к⋅К, В –
эмпирическая постоянная, В⋍ 115 кДж/кг (см. таблицу).
2T
Обобщение результатов для всех 10 исследуемых материалов дало среднее
значение В, достаточно хорошо совпадающее с величиной 115 кДж/кг при
среднеквадратическом отклонении 17 кДж/кг.
Список литературы:
1. Вундерлих Б., Бауэр Г. Теплоемкость литейных полимеров. – М.: Мир, 1972. –238 с.
2. Гейман С. Теплопередача в производстве и эксплуатации резины. В кн.: Новое в
технологии резины. – М.: Мир, 1968. – С. 106–207.
3. Сб. Переходы и релаксационные явления в полимерах. – М.: Мир, 1968.
4. Бензойная кислота. Изобарная теплоемкость в диапазоне температур 4–273,15 К.
ГСССД 20–81.
5. Годовский Ю.К. Теплофизические методы исследования полимеров. – Химия, 1976. –
216 с.
6. Бухина М.Ф. Техническая физика эластомеров. – М.: Химия, 1984. – 224 с.