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四种导热填料在橡胶中的应用

来源:广州宏武材料科技有限公司     发布时间:2019-12-25浏览量:

      近年来,橡胶制品的导热性能受到广泛关注。导热橡胶制品广泛应用于航天、航空、电子、 电器领域中需要传热的部位,并起到绝缘和减震作用。导热性能改善对导热橡胶制品极其重要。例如,电子元气件温度每升高2 ℃,其可靠性下降10%。利用导热填料制备的橡胶复合材料能够有效传递热量,对电子产品的密集化、小型化以及提高其可靠性和延长其使用寿命都具有重要意义。 

      目前,应用于轮胎的橡胶材料需具有低生热、高导热的特点,一方面在轮胎硫化过程中改善胶料传热性能、提高硫化效速率,减少能耗;另一方面及时导出轮胎在高速行驶过程中产生的热量,降低胎体温度,减少因温度过高造成的轮胎性能下降。导热橡胶的导热性能主要由橡胶基体和导热填料决定。无论是粒子还是纤维状导热填料自身的导热性能都远优于橡胶基体。

    最常用的导热填料有以下几种材料:

1. beta相纳米碳化硅
      纳米级碳化硅粉体,形成接触导热链,且更容易与高分子链接枝,形成Si-O-Si链导热骨架做为主要导热通路,大幅度提高复合材料的导热率,同时不降低复合材料的机械性能。纳米碳化硅粉体体积比为13.8%(折合成质量比不到30%)就大幅度提高环氧树脂导热率到4.1瓦/米.开。
      碳化硅环氧树脂复合材料的导热系数随着碳化硅的用量增加而增大,纳米碳化硅在用量较低的情况下即可赋予复合材料良好的导热性能。碳化硅环氧树脂复合材料的弯曲强度和冲击强度随碳化硅用量的增加呈先升后降的态势,碳化硅表面改性后可以有效的的改善复合材料的导热性能和力学性能。
      碳化硅化学性能稳定,其导热性能优于其他半导体填料,在室温下导热系数甚至大于金属。北京化工大学研究员对氧化铝和碳化硅补强硅橡胶的导热性能进行了研究。结果表明:随着碳化硅用量增大,硅橡胶的导热系数增大;碳化硅用量相同时,小粒径碳化硅补强硅橡胶的导热系数大于大粒径碳化硅补强硅橡胶;氧化铝/碳化硅并用补强硅橡胶的导热性能优于氧化铝补强硅橡胶,当氧化铝/碳化硅质量比为8/2且合计用量为600份时,硅橡胶的导热性能最佳。

2. 氮化铝ALN
      氮化铝是原子晶体,属金刚石氮化物类,可在 2200 ℃的高温下稳定存在,其导热性能好,热膨胀系数小,是良好的耐热冲击材料。氮化铝的导热系数为320 W·(m·K)-1,接近氧化硼和碳化硅的导热系数,比氧化铝导热系数大5倍以上。 青岛科技大学研究人员研究了氮化铝补强三元乙丙橡胶复合材料的导热性能。结果表明:随着氮化铝用量增大,复合材料的导热系数增大;未添加氮化铝的复合材料导热系数为0.26 W·(m·K)-1, 当氮化铝用量增大至80份时,复合材料的导热系数达到0.442 W·(m·K)-1,增幅为70%。

3. 纳米氧化铝AL2O3
      氧化铝是一种多功能无机填料,具有较大的导热系数、介电常数以及较好的耐磨性能,被广泛应用于橡胶复合材料中。
      北京化工大学研究人员对纳米氧化铝/碳纳米管/天然橡胶复合材料的导热性能进行测试。 结果表明:纳米氧化铝与碳纳米管并用对提高复合材料导热性能具有协同作用;当碳纳米管用量一定时,随着纳米氧化铝用量增大,复合材料的导热系数线性增大;当采用100份纳米氧化铝作导热填料时,复合材料的导热系数增大120%,当采用5份碳纳米管作导热填料时,复合材料的导热系数增大23%,当采用100份氧化铝与5份碳纳米管并用作导热填料时,复合材料的导热系数增大155%。 试验还得出以下两个结论。一是碳纳米管用量一定时,随着纳米氧化铝用量增大,导电填料粒 子在橡胶中形成的填料-填料网络结构逐渐增强, 复合材料的损耗因子逐渐增大,当100份纳米氧化铝与3份碳纳米管并用后,复合材料的动态压缩生热仅为12 ℃,动态力学性能优异;二是碳纳米管用 量一定时,随着纳米氧化铝用量增大,复合材料的硬度、定伸应力和撕裂强度增大,拉伸强度和拉断伸长率减小。

4. 碳纳米管Carbon Nanotube

      碳纳米管具有优异的物理性能、导热性能和导电性能,是理想的补强填料,其补强橡胶复合 材料受到广泛关注。碳纳米管由石墨片层卷曲 而成,是一种圆柱形结构的新型石墨材料,其直径为几十个纳米(10-30nm,30-60nm,60-100nm)。碳纳米管导热系数为3000 W·(m·K)-1,是铜导热系数的5倍。碳纳米管可以显著提高橡胶的导热性能、导电性能和物理性能,其补强和导热效果优于炭黑、碳纤维和玻璃纤维等传统填料。 青岛科技大学研究人员对碳纳米管/三元乙丙橡胶复合材料的导热性能进行了研究。结果表明:碳纳米管可提高复合材料的导热性能和物理性能;随着碳纳米管用量增大,复合材料的导热系数呈增大趋势,拉伸强度和拉断伸长率先增大后减小,定伸应力和撕裂强度增大;碳纳米管用量较小时,大管径碳纳米管比小管径碳纳米管更容易形成导热链,与橡胶基体结合更好。



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