碳化硅作為導熱材料在橡膠中的應用

曹團結，陸國龍，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，被廣泛應用于輪胎、輸送帶、電纜、膠管、膠輥和密封制品等領域。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，在橡膠行業中應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熱材料在NR，NBR和EPDM中的應用。

1 配方設計思路

由于橡膠是熱的不良導體，容易聚集熱量，導致橡膠老化。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率來加快橡膠與其接觸物體的熱傳導，減少橡膠制品的熱聚集，降低橡膠的實際應用環境溫度，達到提高橡膠制品耐熱和耐老化性能的目的。

2 導熱材料的選擇

導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）無機非金屬材料。石墨和碳化硅等。

表1示出了一些常見導熱材料的熱導率。

表1 常見導熱材料的熱導率 W·（m·K）-1

金粉、銀粉、銅微粉和氮化鋁微粉價格都很貴，在橡膠中很少應用。鎂具有比較強的還原性，與熱水發生反應，生成氫氧化鎂和氫氣。如果將鎂用于橡膠中，其會與橡膠中的少量水分發生反應，產生大量氣泡，因此純金屬鎂不能在橡膠中應用，在橡膠中可以應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，這既是優點，也是缺點，例如橡膠配方中鋁粉用量超過10份時則原來的黑色橡膠會變成灰色橡膠。另外，鋁粉在橡膠中分散困難，價格也比較貴。氧化鈹有毒，不能在橡膠中使用。氧化鎂、氧化鋅、三氧化二鋁導熱效果不明顯，需要大量添加才能提高橡膠的導熱效果。碳化硅熱導率較大，為270 W·（m·K）-1，且價格適中。綜合考慮價格和熱導率等因素，選擇碳化硅作導熱材料比較合適。

3 碳化硅的預處理

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

表2 預分散母煉膠配方 份

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

4 橡膠基本配方的設計

為方便試驗數據處理和膠料性能對比，要求基本配方膠料的邵爾A型硬度與預分散母煉膠相同，并且含膠量一樣。

結合母煉膠配方，確定基本配方總份數和膠料的邵爾A型硬度，并通過增減炭黑和增塑劑用量來調整硬度達到要求，經過多次試驗，確定以下基本配方。

NR基本配方：NR 100，炭黑N330 50，輕質碳酸鈣 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，促進劑TBBS 1.2，合計 262。

NBR基本配方：NBR 100，炭黑N330 50，輕質碳酸鈣 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，促進劑DM 1.5，合計 262。

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

5 碳化硅用量對膠料性能的影響

在基本配方的基礎上加入不同用量碳化硅預分散母煉膠，碳化硅用量為5，10，15，20，30和40份對應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，然后測試膠料性能。

5.1 混煉

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

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

5.2 硫化特性

碳化硅用量對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NR，NBR和EPDM膠料的硫化特性影響不大，t10和t90變化不大，FL和Fmax略有差別。

表3 碳化硅用量對NR膠料硫化特性的影響

表4 碳化硅用量對NBR膠料硫化特性的影響

表5 碳化硅用量對EPDM膠料硫化特性的影響

5.3 物理性能

碳化硅用量對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，拉伸強度變化不大，拉斷伸長率略有降低，撕裂強度基本沒有變化。

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，拉伸強度和拉斷伸長率略有降低，撕裂強度基本沒有變化。

表7 碳化硅用量對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，拉伸強度略有降低，拉斷伸長率略有增大，撕裂強度變化不大。

表8 碳化硅用量對EPDM硫化膠物理性能的影響

總的來說，加入碳化硅對NR，NBR和EPDM硫化膠的物理性能影響不大。

5.4 導熱性能

膠料在不同溫度下的熱導率使用西安夏溪電子科技有限公司生產的TC3300型低溫導熱系數儀測定，采用熱線法。

碳化硅用量對NR，NBR和EPDM硫化膠熱導率的影響分別見表9—11。

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

表9 碳化硅用量對NR硫化膠熱導率的影響 W·（m·K）-1

表10 碳化硅用量對NBR硫化膠熱導率的影響 W·（m·K）-1

表11 碳化硅用量對EPDM硫化膠熱導率的影響 W·（m·K）-1

為了直觀地表達加入碳化硅的膠料導熱性能，對硫化后停放的膠片溫度進行測試，即在20 ℃室內環境中，把硫化膠片放到鍍鋅板上，用接觸式測溫儀按停放時間測量試樣的表面溫度，結果如表12—14所示。

表12 碳化硅用量對NR硫化膠表面溫度的影響 ℃

表13 碳化硅用量對NBR硫化膠表面溫度的影響 ℃

表14 碳化硅用量對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率，加快橡膠散熱速率，降低膠片表面實際溫度，減少熱量聚集，從而達到降低橡膠制品表面溫度，延長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 碳化硅的實際應用效果

為驗證添加碳化硅可以延長橡膠制品的使用壽命，特別是在高溫環境下應用的橡膠制品的使用壽命，在有高溫使用要求的膠輥現有成熟配方中直接用碳化硅等量替代20份填料，與現有成熟配方膠料進行對比，膠輥使用壽命如表15所示。

表15 添加碳化硅對膠輥使用壽命的影響

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

7 結論

（1）碳化硅熱導率較大，且價格適中，需要對碳化硅進行活化處理和預分散，分別制備NR，NBR和EPDM的預分散母煉膠。

（2）加入碳化硅對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膠料的熱導率。

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

（4）加入碳化硅可以延長橡膠制品特別是高溫環境下使用的橡膠制品的使用壽命。