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导热填料种类及其在导热橡胶中的应用
2019年01月19日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:217
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橡胶导热的意义?

橡胶是热的不良导体,但在实际应用中,许多领域需要橡胶具备一定的导热性能,以满足使用要求。因此,人们对于橡胶导热的研究越来越重视导热橡胶制品应用广泛,其导热性能改善对橡胶制品的性能影响极大,例如:用于电子元气件绝缘导热部件的橡胶材料,温度每升高2℃,其可靠性可能下降10%。因此具有高导热能力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有着重要意义;此外,应用于轮胎的橡胶材料需具有低生热、高导热的特点,一方面可以改善轮胎硫化过程中胶料传热性能、提高硫化效速率,减少能耗;另一方面高导热能力可以利于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。

 

当汽车高速行驶时,由于车轮转速增高,产生的摩擦热和变形热将显著增加,若其热量来不及散发,将导致轮胎温度升高,轮胎内气压升高,橡胶易老化,轮胎容易发生爆炸,从而发生事故。

 
导热橡胶的导热机理

导热橡胶分为本征型导热橡胶和填充型导热橡胶,本征型导热橡胶的合成工艺复杂,成本太高,填充型导热橡胶价格较低,易加工,因此一般通过填充高导热性的填料来制备导热橡胶填充型导热橡胶的导热性能主要取决于橡胶基体、导热填料和其共同的界面。

 

导热填料是主要的导热载体,无论是以粒子还是以纤维的形式存在,其自身的导热性都远大于基质材料。当导热填料填充量比较小时,填料能够均匀地分散在体系中,然而相互之间没有形成接触和作用,此时填料对于整个体系导热性的贡献不大。但当填充量达到一个临界点时,填料之间开始有了相互接触和作用,在体系中形成类似链状和网络的结构,称为导热网链。当这些导热网链的取向与热流方向平行时,就会在很大程度上提高体系的导热性。

 

导热填料种类

根据橡胶材料根据的电性可分为绝缘型及非绝缘型,导热绝缘橡胶主要应用在航空航天、武器装备领域所使用的功率管、集成块、热管等设备上,以及微电子、通讯设备、电机和电气设备需要绝缘导热的部位使用的导热绝缘填料主要有氮化物、碳化物及金属氧化物等

 

导热非绝缘橡胶主要用于诸如化工生产和废水处理中使用的热交换器、太阳能热水器、蓄电池冷却器等领域,还可作为输送、封闭、装饰、埋嵌等的材料。通常使用的填料主要有金属粉、碳纤维、石墨及炭黑等。

 

说到这里,相信有小伙伴心中有疑问,橡胶最常见的制品轮胎是绝缘还是非绝缘的橡胶材料呢?答案是:卡车轮胎是绝缘的,而飞机轮胎要求导电的。因为飞机在飞行过程中会与大气摩擦产生大量电荷附着于机身,虽然飞机有放电刷释放静电,但是不能保证完全释放完,这样在旅客下飞机时对旅客造成静电放电,及其危险。

 

飞机轮胎导电,可最大限度释放飞行中积累的大量静电,减少意外事故。

 

导热绝缘橡胶”相关导热填料
1、氮化物和碳化物填充

具有良好绝缘性和高导热系数的氮化物和碳化物主要包括氮化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硅、碳化硼和碳化钛等,将这些无机陶瓷填料填充到橡胶基质中,可以制取具有良好综合性能的导热绝缘橡胶。

 

应用示例:用氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)的甲苯溶液与氮化硼混合,干燥后可制备具有高导热性和绝缘性的弹性材料。当SEBS/氮化硼/甲苯质量比为2.0/7.57.0时,所得材料的导热系数为6.40 W/(m·K)。

 

2、金属氧化物填充

金属氧化物如氧化铍、氧化铝、氧化镁及氧化硅等具有比较高的导热系数,填充到橡胶中可以赋予橡胶导热性和绝缘性,并使其具有良好的物理机械性能。

 

应用示例:填充氧化铝的硅橡胶可以用来制作电子元器件的导热层,当氧化铝的用量是硅橡胶的3倍时,材料的导热系数可达2.72W/(m·K) 。将氧化铝填充到硅橡胶中制成的一种导热界面材料,随着填料用量增加,硅橡胶的导热性增强,热膨胀系数降低。

 

3、混合填料填充

有时候采用单一填料无法满足应用需求,需要采用复配填料来达到应用需求。例如:用导热系数大于15 W/(m·K)的精硅石粉和炭黑填充硅橡胶时,可以制得导热系数大于0.4 W/(m·K)、电阻率大于1012Ω·cm 的导热绝缘复合橡胶;液体硅橡胶中填充体积分数40%-50%的氧化铝及5%-10%的氮化硼粉末,制得了导热复合硅橡胶,可用于电子器械。

 

导热绝缘橡胶”相关填料
1、金属粉填充

将铝粉填充到橡胶中不仅可以大幅度提高橡胶的导热系数,而且制取的橡胶制品具有优良的综合性能在硅橡胶中添加金属铝粉和经硬脂酸表面处理的氢氧化铝粉,可制备阻燃级别为V-0(UL 94)、导热系数为1.09 W/(m·K)的硅橡胶。

 

2、炭黑、石墨及碳纤维填充

炭黑、石墨具有较高的导热系数,一些碳纤维的导热系数可达1200 W/(m·K),将它们填充到橡胶中可以制备导热非绝缘橡胶

 

示例:在丁基橡胶中分别加入100份的高耐磨炉黑、通用炉黑和半增强炉黑等不同型号的炭黑,研究了其对丁基橡胶导热性能的影响,发现在300-500 K时,橡胶的导热性能受炭黑的影响较小。但在另外加入20份钛酸钡后,含有半增强炉黑、高耐磨炉黑丁基橡胶的导热性能有很大提高。炭黑和硼酸共同使用能大大提高天然橡胶的导热性能,40份高耐磨炭黑和30份硼酸填充天然橡胶的导热系数可达3.4 W/(m·K)。

 

3、混合填料填充

在填充了50份黑的丁基橡胶中再填充粉体钛酸钡,会使橡胶的导热性能发生变化。当加入20份钛酸钡粉体时,丁基橡胶的导热系数达到最大填充银粉和氮化硼及铂基阻燃剂也可以制备兼具阻燃性能和导热性能的硅橡胶材料,在一定的配比下,材料可以具有14 W/(m·K)的导热系数和V-1(UL 94)的阻燃级别

 

因为橡胶基体一般导热系数较小,对复合材料导热性能影响不大,所以导热性能的主要影响因素是导热填料的品种、填充量、粒径、形状等以及基体与填料之间的界面热阻。上文仅对导热填料的种类做简单介绍,更多内容请留意后期推文。

 

参考资料:

1、导热填料在橡胶中的应用研究进展,北京橡胶工业研究设计院,齐琳著。

2、填充型导热橡胶研究进展;北京航空材料研究院,涂春潮;西北工业大学,涂春潮,齐暑华,周文英,赵红振,吴波等著。

 

编辑:Alpha


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