碳化硅作為導(dǎo)熱材料在橡膠中的應(yīng)用

曹團(tuán)結(jié)，陸國(guó)龍，宋華磊，李小龍

（山東宏建高分子材料科技有限公司，山東 濰坊 261000）

橡膠是一種高彈性高分子材料，分為合成橡膠和天然橡膠（NR）兩類，被廣泛應(yīng)用于輪胎、輸送帶、電纜、膠管、膠輥和密封制品等領(lǐng)域。其中，NR[通常與丁苯橡膠（SBR）、順丁橡膠（BR）并用]、丁腈橡膠（NBR）、三元乙丙橡膠（EPDM）用量較大，是通用橡膠的代表。

碳化硅俗稱金剛砂，硬度僅次于金剛石，屬于惰性材料，密度較大、耐酸堿、非常耐磨，是砂輪用材料，在橡膠行業(yè)中應(yīng)用的是人工合成的碳化硅微粉，粒徑約為10 μm，呈墨綠色[1-3]。

本工作研究碳化硅作為導(dǎo)熱材料在NR，NBR和EPDM中的應(yīng)用。

1 配方設(shè)計(jì)思路

由于橡膠是熱的不良導(dǎo)體，容易聚集熱量，導(dǎo)致橡膠老化。因此，為了提高橡膠的耐熱性能[4-6]，除了考慮膠種外，還可以通過提高橡膠的熱導(dǎo)率來加快橡膠與其接觸物體的熱傳導(dǎo)，減少橡膠制品的熱聚集，降低橡膠的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境溫度，達(dá)到提高橡膠制品耐熱和耐老化性能的目的。

2 導(dǎo)熱材料的選擇

導(dǎo)熱材料主要有以下幾種類型。

（1）金屬粉末。銅粉、鋁粉、金粉和銀粉等。

（2）金屬氧化物。氧化鋁、氧化鈹、氧化鉍、氧化鎂和氧化鋅等

（3）金屬氮化物。氮化鋁和氮化硼等。

（4）無機(jī)非金屬材料。石墨和碳化硅等。

表1示出了一些常見導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率。

表1 常見導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率 W·（m·K）-1

金粉、銀粉、銅微粉和氮化鋁微粉價(jià)格都很貴，在橡膠中很少應(yīng)用。鎂具有比較強(qiáng)的還原性，與熱水發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鎂和氫氣。如果將鎂用于橡膠中，其會(huì)與橡膠中的少量水分發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣泡，因此純金屬鎂不能在橡膠中應(yīng)用，在橡膠中可以應(yīng)用鎂的氧化物和氫氧化物，即氧化鎂和氫氧化鎂。鋁粉又叫銀鋁粉，其在橡膠中主要用作銀灰色顏料，遮蓋力很強(qiáng)，這既是優(yōu)點(diǎn)，也是缺點(diǎn)，例如橡膠配方中鋁粉用量超過10份時(shí)則原來的黑色橡膠會(huì)變成灰色橡膠。另外，鋁粉在橡膠中分散困難，價(jià)格也比較貴。氧化鈹有毒，不能在橡膠中使用。氧化鎂、氧化鋅、三氧化二鋁導(dǎo)熱效果不明顯，需要大量添加才能提高橡膠的導(dǎo)熱效果。碳化硅熱導(dǎo)率較大，為270 W·（m·K）-1，且價(jià)格適中。綜合考慮價(jià)格和熱導(dǎo)率等因素，選擇碳化硅作導(dǎo)熱材料比較合適。

3 碳化硅的預(yù)處理

碳化硅在橡膠中分散比較困難，為了達(dá)到其與橡膠更好的相容性和分散效果，需要對(duì)碳化硅進(jìn)行預(yù)處理，即對(duì)碳化硅進(jìn)行活化處理和預(yù)分散，分別制備NR，NBR和EPDM的預(yù)分散母煉膠。母煉膠配方見表2。

表2 預(yù)分散母煉膠配方 份

混煉工藝：開煉機(jī)加熱到100 ℃，然后慢慢加入生膠、碳化硅、偶聯(lián)劑、硬脂酸，薄通5遍，下片自然冷卻至常溫，然后在開煉機(jī)中加硫化劑和促進(jìn)劑（輥溫40～55 ℃），薄通5遍，下片備用。

4 橡膠基本配方的設(shè)計(jì)

為方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和膠料性能對(duì)比，要求基本配方膠料的邵爾A型硬度與預(yù)分散母煉膠相同，并且含膠量一樣。

結(jié)合母煉膠配方，確定基本配方總份數(shù)和膠料的邵爾A型硬度，并通過增減炭黑和增塑劑用量來調(diào)整硬度達(dá)到要求，經(jīng)過多次試驗(yàn)，確定以下基本配方。

NR基本配方：NR 100，炭黑N330 50，輕質(zhì)碳酸鈣 70，氧化鋅 5，硬脂酸 1，防老劑4020 1，防老劑RD 1，石蠟油 31，不溶性硫黃S-80 1.8，促進(jìn)劑TBBS 1.2，合計(jì) 262。

NBR基本配方：NBR 100，炭黑N330 50，輕質(zhì)碳酸鈣 70，氧化鋅 5，硬脂酸 1，防老劑4020 1，防老劑RD 1，二辛脂 31，不溶性硫黃S-80 1.5，促進(jìn)劑DM 1.5，合計(jì) 262。

EPDM基本配方：EPDM 100，炭黑N330 50，輕質(zhì)碳酸鈣 70，硬脂酸 1，防老劑RD 1，防老劑MB 1，石蠟油 26，交聯(lián)劑TAIC 3，硫化劑DCP 3，合計(jì) 255。

5 碳化硅用量對(duì)膠料性能的影響

在基本配方的基礎(chǔ)上加入不同用量碳化硅預(yù)分散母煉膠，碳化硅用量為5，10，15，20，30和40份對(duì)應(yīng)的基本配方混煉膠與母煉膠比例分別為96.7∶3.3，93.3∶6.7，90∶10，86.7∶13.3，80∶20和73.3∶26.7，然后測(cè)試膠料性能。

5.1 混煉

基本配方膠料：采用3 L密煉機(jī)將各組分混煉均勻，然后在密煉機(jī)中低溫加硫化劑。

含碳化硅膠料：按比例稱量基本配方混煉膠和預(yù)分散母煉膠，然后在開煉機(jī)上混合，薄通5遍，下片備用。

5.2 硫化特性

碳化硅用量對(duì)NR，NBR和EPDM膠料硫化特性（180 ℃）的影響分別見表3—5。

從表3—5可以看出，加入碳化硅對(duì)NR，NBR和EPDM膠料的硫化特性影響不大，t10和t90變化不大，F(xiàn)L和Fmax略有差別。

表3 碳化硅用量對(duì)NR膠料硫化特性的影響

表4 碳化硅用量對(duì)NBR膠料硫化特性的影響

表5 碳化硅用量對(duì)EPDM膠料硫化特性的影響

5.3 物理性能

碳化硅用量對(duì)NR，NBR和EPDM硫化膠物理性能的影響分別見表6—8。

表6 碳化硅用量對(duì)NR硫化膠物理性能的影響

從表6可以看出，隨著碳化硅用量從5份增大到40份，NR膠料的硬度不變，拉伸強(qiáng)度變化不大，拉斷伸長(zhǎng)率略有降低，撕裂強(qiáng)度基本沒有變化。

從表7可以看出，隨著碳化硅用量從5份增大到40份，NBR膠料的硬度不變，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率略有降低，撕裂強(qiáng)度基本沒有變化。

表7 碳化硅用量對(duì)NBR硫化膠物理性能的影響

從表8可以看出，隨著碳化硅用量從5份增大到40份，EPDM膠料的硬度不變，拉伸強(qiáng)度略有降低，拉斷伸長(zhǎng)率略有增大，撕裂強(qiáng)度變化不大。

表8 碳化硅用量對(duì)EPDM硫化膠物理性能的影響

總的來說，加入碳化硅對(duì)NR，NBR和EPDM硫化膠的物理性能影響不大。

5.4 導(dǎo)熱性能

膠料在不同溫度下的熱導(dǎo)率使用西安夏溪電子科技有限公司生產(chǎn)的TC3300型低溫導(dǎo)熱系數(shù)儀測(cè)定，采用熱線法。

碳化硅用量對(duì)NR，NBR和EPDM硫化膠熱導(dǎo)率的影響分別見表9—11。

從表9—11可以看出：加入碳化硅后，NR，NBR和EPDM硫化膠的熱導(dǎo)率均明顯增大；碳化硅用量越大，硫化膠的熱導(dǎo)率越大，碳化硅用量為20份時(shí)硫化膠的熱導(dǎo)率已經(jīng)比較理想；隨著溫度的升高，硫化膠的熱導(dǎo)率增大。

表9 碳化硅用量對(duì)NR硫化膠熱導(dǎo)率的影響 W·（m·K）-1

表10 碳化硅用量對(duì)NBR硫化膠熱導(dǎo)率的影響 W·（m·K）-1

表11 碳化硅用量對(duì)EPDM硫化膠熱導(dǎo)率的影響 W·（m·K）-1

為了直觀地表達(dá)加入碳化硅的膠料導(dǎo)熱性能，對(duì)硫化后停放的膠片溫度進(jìn)行測(cè)試，即在20 ℃室內(nèi)環(huán)境中，把硫化膠片放到鍍鋅板上，用接觸式測(cè)溫儀按停放時(shí)間測(cè)量試樣的表面溫度，結(jié)果如表12—14所示。

表12 碳化硅用量對(duì)NR硫化膠表面溫度的影響 ℃

表13 碳化硅用量對(duì)NBR硫化膠表面溫度的影響 ℃

表14 碳化硅用量對(duì)EPDM硫化膠表面溫度的影響 ℃

從表12—14可以看出，添加碳化硅可以明顯提高膠料的熱導(dǎo)率，加快橡膠散熱速率，降低膠片表面實(shí)際溫度，減少熱量聚集，從而達(dá)到降低橡膠制品表面溫度，延長(zhǎng)橡膠制品使用壽命的目的。綜合考慮成本和性能等因素，碳化硅的適宜用量為20份。

6 碳化硅的實(shí)際應(yīng)用效果

為驗(yàn)證添加碳化硅可以延長(zhǎng)橡膠制品的使用壽命，特別是在高溫環(huán)境下應(yīng)用的橡膠制品的使用壽命，在有高溫使用要求的膠輥現(xiàn)有成熟配方中直接用碳化硅等量替代20份填料，與現(xiàn)有成熟配方膠料進(jìn)行對(duì)比，膠輥使用壽命如表15所示。

表15 添加碳化硅對(duì)膠輥使用壽命的影響

從表15可以看出，加入碳化硅確實(shí)可以降低橡膠制品的表面溫度，大幅延長(zhǎng)橡膠制品的使用壽命，特別是高溫環(huán)境下應(yīng)用的橡膠制品的使用壽命。

7 結(jié)論

（1）碳化硅熱導(dǎo)率較大，且價(jià)格適中，需要對(duì)碳化硅進(jìn)行活化處理和預(yù)分散，分別制備NR，NBR和EPDM的預(yù)分散母煉膠。

（2）加入碳化硅對(duì)NR，NBR和EPDM膠料的硫化特性和物理性能影響不大，可以提高NR，NBR和EPDM膠料的熱導(dǎo)率。

（3）碳化硅用量越大，NR，NBR和EPDM膠料熱導(dǎo)率越大，碳化硅的適宜用量為20份。

（4）加入碳化硅可以延長(zhǎng)橡膠制品特別是高溫環(huán)境下使用的橡膠制品的使用壽命。