上海大学：化学实验教学中心（讲义）综合化学提高实验（2021，共十个）

CHCHCHCHCHCHCHOHQSi,QSiOH+CHSi(OCH)(CHO)2 SiHOSittQSif2OSi(OCH)2CHCHCHCH,CHH三维网状结构fQSif.2QSi(OCH)2(CHO)2SiCHCHCHON=CMeEtON-CMeEtMeEtC-NOHMe-Si-ON=CMeEt+Me-Si-OH+H,0ON=CMeEtON-CMeEtON=CMeEtON=CMeEtHO-SiMeSi-OHxMeSi-onn+H,OON=CMeEtON=CMeEtMe交联弹性体+2MeEtC=NOH-SiON-CMeEt+Ho-Si-ow0-Si-0-ON-CMeEtHOH图7脱醇、脱腾型硅橡胶的反应机理3.导热系数的测定方法在过去的几十年里，已经发展了大量的导热测试方法与系统。然而，没有任何一种方法能够适合于所有的应用领域，反之对于特定的应用场合，并非所有方法都能适用。要得到准确的测量值，必须基于材料的导热系数范围与样品特征，选择正确的测试方法。使用Fourier方程所描述的稳态条件的仪器主要适用于测量中低导热系数材料。使用动态（瞬时）方法的仪器，如热线法或激光散射法：用于测量中高导热系数材料。(1) 稳态法测量原理如下图所示。样品上下表面与发热盘和散热盘紧密接触，热量由发热盘通过样品上表面传入，并由样品下表面向散热盘散发。热量截面面积S发热盘（黄铜盘）样品hi散热盘（黄铜盘）图8稳态法测样品导热系数示意图-14-

- 14 - 图 7 脱醇、脱肟型硅橡胶的反应机理 3. 导热系数的测定方法 在过去的几十年里，已经发展了大量的导热测试方法与系统。然而，没有 任何一种方法能够适合于所有的应用领域，反之对于特定的应用场合，并非所有 方法都能适用。要得到准确的测量值，必须基于材料的导热系数范围与样品特征， 选择正确的测试方法。使用 Fourier 方程所描述的稳态条件的仪器主要适用于测 量中低导热系数材料。使用动态（瞬时）方法的仪器，如热线法或激光散射法， 用于测量中高导热系数材料。 (1) 稳态法 测量原理如下图所示。样品上下表面与发热盘和散热盘紧密接触，热量由 发热盘通过样品上表面传入，并由样品下表面向散热盘散发。 图 8 稳态法测样品导热系数示意图

当样品上下表面温度可以认为是均匀分布，且样品厚度h不很大可忽略样品侧面散热的影响时，傅立叶热传导定律可改写为：O-a-sth当T、T，稳定时，通过样品的传热率和黄铜盘向侧面和下表面的散热率相同。AQ=AgAtT,=TiaN lr-T.oAQ式中：2是样品的传热速率；△t是黄铜盘的散热速率；tT10、T20是热稳态样品上下表面温度。AgAT黄铜盘的散热速率：=mcNtr,T0At f,=T.ATks令黄铜散热盘的冷却速率：AtT,=T.omckhmckh,样品的导热系数：元=S(T -T)元d'(T, -T,)4m是黄铜盘质量；c是黄铜比热（c=3.77x10°J/kg.K）AT冷却速率：k=测量方法如下：Ar r,-fo测好T1o、T2o后将样品盘抽去，使发热盘与散热盘直接接触，使散热盘温度高于T20，再冷却，测出T-t变化关系，并作冷却曲线。求出T=T20时切线的斜率k（即冷却速率）。温度TT20时间t图9T-t变化曲线(2)非稳态法瞬态热线法测量原理是基于无限大非稳态导热模型。加热热线放在被测试样的几何中心，恒定线功率为q（Wm）。-15-

- 15 - 当样品上下表面温度可以认为是均匀分布，且样品厚度 h1 不很大可忽略样品 侧面散热的影响时，傅立叶热传导定律可改写为： 1 2 1 Q T T S t h      当 T1、T2 稳定时，通过样品的传热率和黄铜盘向侧面和下表面的散热率相同。 1 10 2 20 Q T T T T q t t        式中： Q t   是样品的传热速率； q t   是黄铜盘的散热速率； T10、T20 是热稳态样品上下表面温度。 黄铜盘的散热速率： 2 20 2 20 = T T T T q T mc t t       令黄铜散热盘的冷却速率： 2 20 = T T T k t    样品的导热系数：     1 1 2 1 2 1 2 = 1 4 mckh mckh S T T d T T      m 是黄铜盘质量； c 是黄铜比热（c=3.77102 J/kgK） 冷却速率： 2 20 = T T T k t    测量方法如下： 测好 T10、T20 后将样品盘抽去，使发热盘与散热盘直接接触，使散热盘温度 高于 T20，再冷却，测出 T-t 变化关系，并作冷却曲线。求出 T=T20时切线的斜率 k（即冷却速率）。 图 9 T-t 变化曲线 (2) 非稳态法 瞬态热线法测量原理是基于无限大非稳态导热模型。加热热线放在被测试样 的几何中心，恒定线功率为 q(W·m-1 )

热线图10热线法测样品导热系数示意图设被测试样均匀初始温度为To，热导率为入，热扩散率为a.密度为p，比热容为C。在时间t=Os时，打开开关加热热线开始通电升温，忽略热量向热线轴向传播，令e=T-T，则可以建立一维瞬态导热微分方程：ao.a0a0t>0,0<r<00alar+rarat边界条件和初始条件：t=0, 0(r,t)=0aor=r,q=-2元r=constrr=00,θ(r,t)=0式中r为柱坐标中的坐标值，Fo为加热热线的径向坐标值。LE(则：(r,t)=4at4元／(-1)xkE,(x)= -y -In(x)-y=0.5772157..k!kk=l测温装置测得的温度就是热线表面温度，即r=：To曾(-1)*(4at[-- In(-(r,t)=4元／4atk!kr<<1，则热线表面温升近似为：当热线半径足够小且时间相对长，有4at1-y-ln()1, n(4q0(r,t)=C4元个4at4元个nt+高(C4元4元／=Alnt+Bde(r,t)qC=er =1.78107254元个dInt绘制温升0-lnt对数时间曲线图。曲线图在有效时间段（tmn-tmax）内温升和-16-

- 16 - 图 10 热线法测样品导热系数示意图 设被测试样均匀初始温度为 T0，热导率为 λ，热扩散率为 a,密度为 ρ，比热 容为 c。 在时间 t=0s 时，打开开关加热热线开始通电升温，忽略热量向热线轴向传 播，令 T T0 θ   ，则可以建立一维瞬态导热微分方程： 2 2 a t r ( ) 0, 0 t r r r                边界条件和初始条件： 0 0 0 ( , ) 0 2 ( , ) 0 t r t r r q r const r r r t                ， ， ， 式中 r 为柱坐标中的坐标值，r0 为加热热线的径向坐标值。 则： 2 1 ( , ) E 4 4 q r r t at    （ ） 1 1 ( 1) ( ) ln( ) ! k k k x E x x k k         ，γ=0.5772157. 测温装置测得的温度就是热线表面温度，即 0 r  r ： 2 0 2 0 0 1 ( 1) ( ) 4 ( , ) [ ln( ) ] 4 4 ! k k k r q r at r t at k k           当热线半径足够小且时间相对长，有 1 4at r 2 0  ，则热线表面温升近似为： 2 0 0 2 0 2 0 4 ( , ) [ ln( )] ln( ) 4 4 4 4 ln ln( ) 4 4 ln q q at r r t at r C q q a t r C A t B               0 ( , ) ln 4 d r t q A d t     ， C e 1.7810725    绘制温升 θ-lnt 对数时间曲线图。曲线图在有效时间段（ min t - max t ）内温升和

对数时间满足线性关系。Int图11热线法温升e-Int对数时间曲线图q由图中斜率A计算被测试样的热导率：入=-4元A四、实验药品与仪器药品：轻烧MgO，七水硫酸镁，α型半水石膏，短切玻璃纤维；端羟基聚二甲基硅氧烷，正硅酸丙酯，2T碳酸钙，磷氮阻燃剂NH2-C，二月桂酸二丁基锡，硅油。仪器：TC3200导热系数测量仪，30*40*2mm制模框等。五、实验内容1.镁质胶凝材料样品制备（1）硫氧镁浆料的制备：称量好一定质量的MgSO47H2O晶体，溶于定量水中形成硫酸镁溶液。将定量的氧化镁粉料与其它固体料混合均匀，再将硫酸镁溶液加入粉料中，搅拌均匀后，得到硫氧镁浆料。表2镁质胶凝材料实验配比组分原料样品M1M1*0.2样品M2M2*0.2149819.670轻烧MgO28粉体A05.6石膏20.420.4短切玻璃纤维1002010020735735MgS04.7H20液体B88水404015157575(②硫氧镁胶凝材料的成型：把制备好的硫氧镁浆料浇注于规格为40×30x3mm的PP模具中，将盛有浆料的模具置于平稳的台面上震荡60s去除材料中的气泡。在室温下养护，待样品成型后脱模，得到硫氧镁胶凝材料样品。2.有机硅材料样品制备表3有机硅样品实验配比与制备流程-17-

- 17 - 对数时间满足线性关系。 图 11 热线法温升 θ-lnt 对数时间曲线图 由图中斜率 A 计算被测试样的热导率： 4 q A    四、实验药品与仪器 药品：轻烧 MgO，七水硫酸镁，型半水石膏，短切玻璃纤维；端羟基聚二 甲基硅氧烷，正硅酸丙酯，2T 碳酸钙，磷氮阻燃剂 NH2-C，二月桂酸二丁基锡， 硅油。 仪器：TC3200 导热系数测量仪，30*40*2mm 制模框等。 五、实验内容 1. 镁质胶凝材料样品制备 (1) 硫氧镁浆料的制备：称量好一定质量的 MgSO4·7H2O 晶体，溶于定量水 中形成硫酸镁溶液。将定量的氧化镁粉料与其它固体料混合均匀，再将硫酸镁 溶液加入粉料中，搅拌均匀后，得到硫氧镁浆料。 表 2 镁质胶凝材料实验配比 组分 原料 样品M1 M1*0.2 样品M2 M2*0.2 粉体 A 轻烧 MgO 98 19.6 70 14 石膏 0 28 5.6 短切玻璃纤维 2 0.4 2 0.4 100 20 100 20 液体 B MgSO4.7H2O 35 7 35 7 水 40 8 40 8 75 15 75 15 (2) 硫氧镁胶凝材料的成型：把制备好的硫氧镁浆料浇注于规格为 40×30×3mm 的 PP 模具中，将盛有浆料的模具置于平稳的台面上震荡 60s 去除材 料中的气泡。在室温下养护，待样品成型后脱模，得到硫氧镁胶凝材料样品。 2. 有机硅材料样品制备 表 3 有机硅样品实验配比与制备流程