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研究碳化硅（活化處理后制為碳化硅預分散母煉膠）作為導熱材料在天然橡膠（NR）、丁腈橡膠 （NBR）和三元乙丙橡膠（EPDM）中的應用。結(jié)果表明：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；碳化硅用量越大，NR，NBR和EPDM膠料的熱導率越大，碳化硅的適宜用量為20份；加入碳化硅可以延長橡膠制品的使用壽命。
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(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)中應用的是人工合成的碳化硅微粉，粒徑約為10 μm，呈墨綠色。
本工作研究碳化硅作為導熱材料在NR，NBR 和EPDM中的應用。
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， 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(huán)境溫度，達到提高橡膠制品耐熱和耐老化性能的目的。
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(fā)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(fā)生反應，產(chǎn)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(yōu)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。
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(lián)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。
為方便試驗數(shù)據(jù)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(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)整硬度達到要求，經(jīng)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(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，促進劑TBBS 1. 2，合計 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，促進劑DM 1. 5，合計 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 255。
在基本配方的基礎(chǔ)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。
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。
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，F(xiàn)L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
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。
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。
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。
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。
表6 碳化硅用量對NR硫化膠物理性能的影響
表7 碳化硅用量對NBR硫化膠物理性能的影響
表8 碳化硅用量對EPDM硫化膠物理性能的影響
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(chǎn)的TC3300型低溫導熱系數(shù)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(jīng)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
表10 碳化硅用量對NBR硫化膠熱導率的影響
表11 碳化硅用量對EPDM硫化膠熱導率的影響
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(nèi)環(huán)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(jié)果如表12—14所示。
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。
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 ℃
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(huán)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(xiàn)有成熟配方中直接用碳化硅等量替代20份填料，與現(xiàn)有成熟配方膠料進行對比，膠輥使用壽命如表15所示。
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(huán)境下應用的橡膠制品的使用壽命。
表15 添加碳化硅對膠輥使用壽命的影響
（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(huán)境下使用的橡膠制品的使用壽命。