張建可

（蘭州物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

丙烯酸酯類壓敏膠是目前應(yīng)用最為廣泛的壓敏膠之一，它是丙烯酸酯單體和其他乙烯類單體的共聚物，與其他壓敏膠相比具有以下特點：具有優(yōu)異的耐候性和耐熱性；無相分離和遷移現(xiàn)象，透明性好，耐油性佳；粘接性能好；無毒，對皮膚無影響，適用于載人航天器艙內(nèi)使用。因此，在航天器上得到了廣泛應(yīng)用。由于壓敏膠主要用于表層防護層與部件、部件與部件之間的粘接，不僅起著粘接作用，而且起著傳熱的作用。在需要較好熱交換的部件表層或連接之間，壓敏膠熱導(dǎo)率就顯得尤其重要。對于低溫部件，其低溫下的傳熱特性就更加重要，但這方面的研究工作較少，不能滿足目前發(fā)展的需求。隨著航天器中壓敏膠應(yīng)用的增加，了解、掌握壓敏膠的低溫熱導(dǎo)率是非常必要的。作者主要介紹了壓敏膠低溫熱導(dǎo)率測試，并對其低溫熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)變化規(guī)律和影響因素進行了分析討論。

2 低溫熱導(dǎo)率的測試裝置和試樣

2.1 測試裝置

考慮到壓敏膠的熱導(dǎo)率是各向同性，因此采用傳統(tǒng)的一維穩(wěn)態(tài)熱流法的雙試樣平板熱導(dǎo)儀［1～3］進行測試。裝置如圖1所示。該裝置使用兩塊相同試樣同時進行測試，是較成熟的標準試驗方法，測試過程這里不再敘述。

圖1 雙試樣平板低溫熱導(dǎo)率測定示意圖

2.2 試 樣

試樣制備有一定的特殊性。制備時，采用丙烯酸酯壓敏膠液澆注到模具之中，在蔭涼室內(nèi)放置數(shù)月，待壓敏膠基本成形后使用。對于壓敏膠試樣，很難與要求的試樣厚度相同。因此，可以采用一次澆注成形的方法，也可以采用多層疊厚的方法。由于壓敏膠成形后仍然具備壓敏膠的黏性，因此，疊厚時不用再加入粘接劑就可以粘接的很好，每層之間的接觸熱阻可以忽略不計。同樣，低溫下的接觸熱阻也可以直接利用壓敏膠的自粘接性能直接與冷板和加熱器粘接來消除。需要考慮的是試樣裝配時的壓緊力大小，施加的壓緊力應(yīng)該保證試樣被壓緊粘接良好，又要保證試樣厚度壓縮小于5%。作者試驗用丙烯酸酯壓敏膠樣品由北京康拓科技開發(fā)總公司光學(xué)室研制并提供。在試樣裝配時，要多次測量試樣厚度，取算術(shù)平均值。測試中，根據(jù)試驗的誤差分析理論，試樣的溫差控制在5～7℃左右，不能太大也不能太小，以減少測量誤差。測試中，試樣平均厚度為6.35 mm，試樣直徑為110 mm。

2.3 計算公式

按式（1）［1］計算丙烯酸酯壓敏膠的低溫熱導(dǎo)率

式中λ為丙烯酸酯壓敏膠的低溫熱導(dǎo)率，W/（m·K）；Q為試樣主加熱器加熱功率，W；ΔZ為丙烯酸酯壓敏膠試樣平均厚度，m；A為丙烯酸酯壓敏膠試樣的截面積，m2；ΔT為試樣冷熱面溫差，K。

3 丙烯酸酯壓敏膠低溫熱導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)與分析

丙烯酸酯壓敏膠低溫熱導(dǎo)率的測試結(jié)果如表1所列，熱導(dǎo)率與溫度關(guān)系曲線見圖2所示。

表1 丙烯酸酯壓敏膠低溫熱導(dǎo)率的測試數(shù)據(jù)

圖2 丙烯酸酯壓敏膠低溫熱導(dǎo)率與溫度關(guān)系曲線

由丙烯酸酯壓敏膠低溫熱導(dǎo)率與溫度關(guān)系曲線可以看出，丙烯酸酯壓敏膠熱導(dǎo)率隨溫度下降而增加，這一變化規(guī)律與一般液體熱導(dǎo)率與溫度關(guān)系變化規(guī)律相似，但與固態(tài)材料的熱導(dǎo)率與溫度關(guān)系變化規(guī)律不同。壓敏膠體是屬于可改變形狀的高聚物固態(tài)材料，在常溫下其結(jié)構(gòu)為大分子結(jié)構(gòu)，很少有晶體結(jié)構(gòu)存在[4]，有一定的柔軟性。當溫度下降到玻璃態(tài)溫度以下時，高聚物的物理性能逐步發(fā)生變化。對于丙烯酸酯壓敏膠，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約在0℃左右。當溫度下降到0℃，丙烯酸酯壓敏膠的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，大分子鏈段結(jié)構(gòu)逐步停止運動，失去彈性，整體發(fā)生收縮，凍結(jié)成無定型狀態(tài)的固體。這個過程是下降到玻璃態(tài)溫度以下后逐漸形成的。由于丙烯酸酯壓敏膠的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，其物理性能也發(fā)生了變化。這不是簡單的相變，如果是物質(zhì)的相變，其物理性能的變化是突變，而這是屬于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變。由于轉(zhuǎn)變是漸變的，因此，其物理性能的變化也是漸變的。很顯然，由于丙烯酸酯壓敏膠結(jié)構(gòu)整體發(fā)生收縮，凍結(jié)成無定型狀態(tài)的固體，因此其熱導(dǎo)率逐漸變大是可以理解的。測試結(jié)果完全符合這一結(jié)構(gòu)變化分析，說明了溫度越低丙烯酸酯壓敏膠的傳熱性能變好。這一特點，可作為航天壓敏膠應(yīng)用的特殊用途。測試結(jié)果也表明了，測試中接觸熱阻是基本消除的，因為，如果存在較大接觸熱阻，熱導(dǎo)率的測試數(shù)據(jù)將會大大減小。消除熱阻的主要原因是由于壓敏膠自粘性能起了重要作用，將試樣與測量裝置的冷、熱面較好的粘接在一起，消除了大部分接觸熱阻［2］。

4 結(jié)論

（1）采用一維穩(wěn)態(tài)熱流法的護熱平板熱導(dǎo)儀，可以較好的對壓敏膠試樣進行熱導(dǎo)率測量，壓敏膠本身的自粘性能可以較好的消除接觸熱阻；

（2）丙烯酸酯壓敏膠的低溫熱導(dǎo)率數(shù)值在0.2～0.5 W/［（m·K）］之間，隨著溫度下降，熱導(dǎo)率數(shù)值增加。

[1]GJB323-87，《絕熱材料低溫穩(wěn)態(tài)熱導(dǎo)率測試方法》［S］.

[2]朱賢，冀勇夫，黨震，等.絕熱材料低溫熱導(dǎo)率測定方法研究［J］.低溫物理，1981，3（4）：334～339.

[3]張建可.多層絕熱的間隔材料有效低溫熱導(dǎo)率測試研究［J］.真空與低溫，2007，13（1）：38～40.

[4]張留成，翟雄偉，丁會利.高分子材料基礎(chǔ)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.