橡膠導熱的意義？

橡膠是熱的不良導體，但在實際應用中，許多領域需要橡膠具備一定的導熱性能，以滿足使用要求。因此，人們對于橡膠導熱的研究越來越重視。導熱橡膠制品應用廣泛，其導熱性能的改善對橡膠制品的性能影響極大，例如：用于電子元氣件絕緣導熱部件的橡膠材料，溫度每升高2℃，其可靠性可能下降10%。因此具有高導熱能力的橡膠復合材料能夠有效傳遞熱量，對電子產品的密集化、小型化以及提高其可靠性有著重要意義；此外，應用于輪胎的橡膠材料需具有低生熱、高導熱的特點，一方面可以改善輪胎硫化過程中膠料傳熱性能、提高硫化效速率，減少能耗；另一方面高導熱能力可以利于及時導出輪胎在高速行駛過程中產生的熱量，降低胎體溫度，減少因溫度過高造成的輪胎性能下降。

當汽車高速行駛時，由于車輪轉速增高，產生的摩擦熱和變形熱將顯著增加，若其熱量來不及散發，將導致輪胎溫度升高，輪胎內氣壓升高，橡膠易老化，輪胎容易發生爆炸，從而發生事故。

導熱橡膠的導熱機理

導熱橡膠分為本征型導熱橡膠和填充型導熱橡膠，本征型導熱橡膠的合成工藝復雜，成本太高，填充型導熱橡膠價格較低，易加工，因此一般通過填充高導熱性的填料來制備導熱橡膠。填充型導熱橡膠的導熱性能主要取決于橡膠基體、導熱填料和其共同的界面。

導熱填料是主要的導熱載體，無論是以粒子還是以纖維的形式存在，其自身的導熱性都遠大于基質材料。當導熱填料填充量比較小時，填料能夠均勻地分散在體系中，然而相互之間沒有形成接觸和作用，此時填料對于整個體系導熱性的貢獻不大。但當填充量達到一個臨界點時，填料之間開始有了相互接觸和作用，在體系中形成類似鏈狀和網絡的結構，稱為導熱網鏈。當這些導熱網鏈的取向與熱流方向平行時，就會在很大程度上提高體系的導熱性。

導熱填料種類

根據橡膠材料根據的電性可分為絕緣型及非絕緣型，導熱絕緣橡膠主要應用在航空航天、武器裝備領域所使用的功率管、集成塊、熱管等設備上，以及微電子、通訊設備、電機和電氣設備需要絕緣導熱的部位，使用的導熱絕緣填料主要有氮化物、碳化物及金屬氧化物等。

導熱非絕緣橡膠主要用于諸如化工生產和廢水處理中使用的熱交換器、太陽能熱水器、蓄電池冷卻器等領域，還可作為輸送、封閉、裝飾、埋嵌等的材料。通常使用的填料主要有金屬粉、碳纖維、石墨及炭黑等。

說到這里，相信有小伙伴心中有疑問，橡膠最常見的制品輪胎是絕緣還是非絕緣的橡膠材料呢？答案是：卡車輪胎是絕緣的，而飛機輪胎是要求導電的。因為飛機在飛行過程中會與大氣摩擦產生大量電荷附著于機身，雖然飛機有放電刷釋放靜電，但是不能保證完全釋放完，這樣在旅客下飛機時對旅客造成靜電放電，及其危險。

飛機輪胎導電，可最大限度釋放飛行中積累的大量靜電，減少意外事故。

“導熱絕緣橡膠”相關導熱填料

1、氮化物和碳化物填充

具有良好絕緣性和高導熱系數的氮化物和碳化物主要包括氮化鋁、氮化硼、氮化硅、碳化硅、碳化硼和碳化鈦等，將這些無機陶瓷填料填充到橡膠基質中，可以制取具有良好綜合性能的導熱絕緣橡膠。

應用示例：用氫化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)的甲苯溶液與氮化硼混合，干燥后可制備具有高導熱性和絕緣性的彈性材料。當SEBS/氮化硼/甲苯質量比為2.0/7.5／7.0時，所得材料的導熱系數為6.40 W/(m·K)。

2、金屬氧化物填充

金屬氧化物如氧化鈹、氧化鋁、氧化鎂及氧化硅等具有比較高的導熱系數，填充到橡膠中可以賦予橡膠導熱性和絕緣性，并使其具有良好的物理機械性能。

應用示例：填充氧化鋁的硅橡膠可以用來制作電子元器件的導熱層，當氧化鋁的用量是硅橡膠的3倍時，材料的導熱系數可達2.72W/(m·K) 。將氧化鋁填充到硅橡膠中制成的一種導熱界面材料，隨著填料用量增加，硅橡膠的導熱性增強，熱膨脹系數降低。

3、混合填料填充

有時候采用單一填料無法滿足應用需求，需要采用復配填料來達到應用需求。例如：用導熱系數大于15 W/(m·K)的精硅石粉和炭黑填充硅橡膠時，可以制得導熱系數大于0.4 W/(m·K)、電阻率大于1012Ω·cm 的導熱絕緣復合橡膠；液體硅橡膠中填充體積分數40%-50%的氧化鋁及5%-10%的氮化硼粉末，制得了導熱復合硅橡膠，可用于電子器械。

“導熱非絕緣橡膠”相關填料

1、金屬粉填充

將鋁粉填充到橡膠中不僅可以大幅度提高橡膠的導熱系數，而且制取的橡膠制品具有優良的綜合性能。在硅橡膠中添加金屬鋁粉和經硬脂酸表面處理的氫氧化鋁粉，可制備阻燃級別為V-0(UL 94)、導熱系數為1.09 W/(m·K)的硅橡膠。

2、炭黑、石墨及碳纖維填充

炭黑、石墨具有較高的導熱系數，一些碳纖維的導熱系數可達1200 W/(m·K)，將它們填充到橡膠中可以制備導熱非絕緣橡膠。

示例：在丁基橡膠中分別加入100份的高耐磨爐黑、通用爐黑和半增強爐黑等不同型號的炭黑，研究了其對丁基橡膠導熱性能的影響，發現在300-500 K時，橡膠的導熱性能受炭黑的影響較小。但在另外加入20份鈦酸鋇后，含有半增強爐黑、高耐磨爐黑丁基橡膠的導熱性能有很大提高。炭黑和硼酸共同使用能大大提高天然橡膠的導熱性能，40份高耐磨炭黑和30份硼酸填充天然橡膠的導熱系數可達3.4 W/(m·K)。

3、混合填料填充

在填充了50份燈黑的丁基橡膠中再填充粉體鈦酸鋇，會使橡膠的導熱性能發生變化。當加入20份鈦酸鋇粉體時，丁基橡膠的導熱系數達到最大；填充銀粉和氮化硼及鉑基阻燃劑也可以制備兼具阻燃性能和導熱性能的硅橡膠材料，在一定的配比下，材料可以具有14 W/(m·K)的導熱系數和V-1(UL 94)的阻燃級別。

因為橡膠基體一般導熱系數較小，對復合材料導熱性能影響不大，所以導熱性能的主要影響因素是導熱填料的品種、填充量、粒徑、形狀等以及基體與填料之間的界面熱阻。上文僅對導熱填料的種類做簡單介紹，更多內容請留意后期推文。

參考資料：

1、導熱填料在橡膠中的應用研究進展，北京橡膠工業研究設計院，齊琳著。

2、填充型導熱橡膠研究進展；北京航空材料研究院，涂春潮；西北工業大學，涂春潮，齊暑華，周文英，趙紅振，吳波等著。

編輯：Alpha