橡膠導(dǎo)熱的意義？

橡膠是熱的不良導(dǎo)體，但在實(shí)際應(yīng)用中，許多領(lǐng)域需要橡膠具備一定的導(dǎo)熱性能，以滿足使用要求。因此，人們對(duì)于橡膠導(dǎo)熱的研究越來(lái)越重視。導(dǎo)熱橡膠制品應(yīng)用廣泛，其導(dǎo)熱性能的改善對(duì)橡膠制品的性能影響極大，例如：用于電子元?dú)饧?/span>絕緣導(dǎo)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(dǎo)熱能力的橡膠復(fù)合材料能夠有效傳遞熱量，對(duì)電子產(chǎn)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(yīng)用于輪胎的橡膠材料需具有低生熱、高導(dǎo)熱的特點(diǎn)，一方面可以改善輪胎硫化過(guò)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(dǎo)熱能力可以利于及時(shí)導(dǎo)出輪胎在高速行駛過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，降低胎體溫度，減少因溫度過(guò)高造成的輪胎性能下降。

當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，由于車輪轉(zhuǎn)速增高，產(chǎn)生的摩擦熱和變形熱將顯著增加，若其熱量來(lái)不及散發(fā)，將導(dǎo)致輪胎溫度升高，輪胎內(nèi)氣壓升高，橡膠易老化，輪胎容易發(fā)生爆炸，從而發(fā)生事故。

導(dǎo)熱橡膠的導(dǎo)熱機(jī)理

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

導(dǎo)熱填料是主要的導(dǎo)熱載體，無(wú)論是以粒子還是以纖維的形式存在，其自身的導(dǎo)熱性都遠(yuǎn)大于基質(zhì)材料。當(dāng)導(dǎo)熱填料填充量比較小時(shí)，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(shí)填料對(duì)于整個(gè)體系導(dǎo)熱性的貢獻(xiàn)不大。但當(dāng)填充量達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，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(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，稱為導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。當(dāng)這些導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的取向與熱流方向平行時(shí)，就會(huì)在很大程度上提高體系的導(dǎo)熱性。

導(dǎo)熱填料種類

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

導(dǎo)熱非絕緣橡膠主要用于諸如化工生產(chǎn)和廢水處理中使用的熱交換器、太陽(yáng)能熱水器、蓄電池冷卻器等領(lǐng)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(shuō)到這里，相信有小伙伴心中有疑問(wèn)，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(jī)輪胎是要求導(dǎo)電的。因?yàn)轱w機(jī)在飛行過(guò)程中會(huì)與大氣摩擦產(chǎn)生大量電荷附著于機(jī)身，雖然飛機(jī)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(jī)時(shí)對(duì)旅客造成靜電放電，及其危險(xiǎn)。

飛機(jī)輪胎導(dǎo)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(dǎo)熱絕緣橡膠”相關(guān)導(dǎo)熱填料

1、氮化物和碳化物填充

具有良好絕緣性和高導(dǎo)熱系數(shù)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(wú)機(jī)陶瓷填料填充到橡膠基質(zhì)中，可以制取具有良好綜合性能的導(dǎo)熱絕緣橡膠。

應(yīng)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(dǎo)熱性和絕緣性的彈性材料。當(dāng)SEBS/氮化硼/甲苯質(zhì)量比為2.0/7.5／7.0時(shí)，所得材料的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)，填充到橡膠中可以賦予橡膠導(dǎo)熱性和絕緣性，并使其具有良好的物理機(jī)械性能。

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

3、混合填料填充

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

“導(dǎo)熱非絕緣橡膠”相關(guān)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(dǎo)熱系數(shù)，而且制取的橡膠制品具有優(yōu)良的綜合性能。在硅橡膠中添加金屬鋁粉和經(jīng)硬脂酸表面處理的氫氧化鋁粉，可制備阻燃級(jí)別為V-0(UL 94)、導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)，一些碳纖維的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1200 W/(m·K)，將它們填充到橡膠中可以制備導(dǎo)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(qiáng)爐黑等不同型號(hào)的炭黑，研究了其對(duì)丁基橡膠導(dǎo)熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)在300-500 K時(shí)，橡膠的導(dǎo)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(qiáng)爐黑、高耐磨爐黑丁基橡膠的導(dǎo)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(dǎo)熱性能，40份高耐磨炭黑和30份硼酸填充天然橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)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(huì)使橡膠的導(dǎo)熱性能發(fā)生變化。當(dāng)加入20份鈦酸鋇粉體時(shí)，丁基橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)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(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)和V-1(UL 94)的阻燃級(jí)別。

因?yàn)橄鹉z基體一般導(dǎo)熱系數(shù)較小，對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能影響不大，所以導(dǎo)熱性能的主要影響因素是導(dǎo)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(duì)導(dǎo)熱填料的種類做簡(jiǎn)單介紹，更多內(nèi)容請(qǐng)留意后期推文。

參考資料：

1、導(dǎo)熱填料在橡膠中的應(yīng)用研究進(jìn)展，北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，齊琳著。

2、填充型導(dǎo)熱橡膠研究進(jìn)展；北京航空材料研究院，涂春潮；西北工業(yè)大學(xué)，涂春潮，齊暑華，周文英，趙紅振，吳波等著。

編輯：Alpha