导热硅橡胶的制备及性能研究

与其它合成橡胶相比,硅橡胶具有优异的耐高低温、耐候、耐老化、电气绝缘、生理惰性等优点。当配合加入无机导热填料(如金属粉末、金属氧化物、氮化物等)后可制成导热硅橡胶。虽然导热硅橡胶的研究历史不长,但它已逐步得到了实际应用,并且随着现代科学技术和工业生产的发展,其应用领域越来越广,用量越来越大,对其性能的要求也越来越高。但是,目前对导热硅橡胶的研究重在应用方面,其理论研究滞后于应用研究,且理论研究仅仅为初步,并不深入。因此在设计开发高品质导热硅橡胶的同时,重点对导热硅橡胶进行了基础理论研究。选择ZnO、Al2O3、SiC、AlN、BN5种导热填料填充的导热硅橡胶作为研究对象,对导热硅橡胶的导热性能、力学性能、热稳定性、各种影响因素及其作用机理等进行了研究;以导热硅橡胶的TGA数据为基础,研究了导热填料对硅橡胶热稳定性及其热降解动力学的影响,并对其热降解动力学参数进行了计算;通过溶液插层法制备VMQ/EG导热复合材料,将材料的结构、热稳定性、导热性等与传统熔融共混法制备VMQ/EG导热复合材料进行了对比,分析了影响材料导热性能的因素,探索了其导热机理;制备了具有导热性的硅橡胶/EPDM并用胶,并研究了导热填料对并用橡胶力学性能、导热性能的影响。(1)导热硅橡胶的性能研究。以甲基乙烯基硅橡胶作为基胶,以气相白炭黑为补强剂,考察了导热填料ZnO、Al2O3、SiC、AlN、BN对所填充的高温硫化导热硅橡胶性能的影响。研究发现,所得导热硅橡胶的各项性能与所用导热填料种类密切相关,SiC>AlN>Al2O3>ZnO>BN。对制备的导热硅橡胶的导热系数进行理论拟合,结果发现材料导热系数与Agari方程拟合较好。多种粒径导热填料配合使用能够显著提高橡胶导热性能,例如选用不同粒径的Al2O3导热填料制备的导热硅橡胶,当m(Φ27nm)∶m(Φ2μm)=3∶1、m(Φ5μm)∶m(Φ50μm)=1∶3或3∶1时,所得硅橡胶的导热系数提高较大。导热填料经过表面处理后制备的硅橡胶导热系数有明显提高,其中用A-172处理Al2O3效果最好,比未处理时(0.546W/(m·K))提高了12.7%。硅橡胶交联密度增加,导热网络变得更加致密,硅橡胶导热系数也增加,但当连续致密的导热网络形成以后,交联状态对硅橡胶导热系数的影响不再明显。降低硫化温度能够显著提高硅橡胶的导热系数,当硫化温度从160℃降到120℃时,所得硅橡胶的导热系数增加了5.5%;当硫化温度从120℃降到80℃时,导热系数增加24.9%。硅橡胶/Al2O3、硅橡胶/ZnO的导热系数随温度的升高而降低;随导热填料用量增加,硅橡胶的导热系数降低的程度增大;导热硅橡胶材料中存在明显的PTC(正温度系数)现象。(2)导热硅橡胶热降解动力学研究。应用TGA数据,采用改进的Freeman-Carroll方法对填充导热填料Al2O3和ZnO的导热硅橡胶的热降解动力学参数进行了计算,发现导热硅橡胶的起始热降解反应温度较高,其相应的反应活化能也大于空白硅橡胶。导热硅橡胶的热降解反应以零级反应为主,反应活化能是温度的函数,而且对温度的敏感性随温度的升高而变弱。(3)溶液插层法制备硅橡胶/膨胀石墨(VMQ/EG)导热复合材料。用X射线衍射对制备的VMQ/EG复合物进行了结构表征。对比溶液插层法和熔融共混法制备的VMQ/EG复合材料发现,EG用量小时,溶液插层法制备的VMQ/EG复合材料导热系数较高,并且能够显著改善硅橡胶的热稳定性能。这是因为溶液插层法制备的VMQ/EG复合材料中EG在经过插层、混炼、模压成型等工序后不但保留了原始结构,而且变得更紧密;而熔融共混法制备的VMQ/EG复合材料中EG的网络结构被彻底破坏。插层法制备的VMQ/EG复合材料虽然能够显著提高硅橡胶的导热性,但EG用量受到限制,硅橡胶导热性能的进一步提高非常困难。研究发现,当在VMQ/EG体系中继续加入第三组分(如SiC、AlN、BN、Al2O3、ZnO、碳纤维(CF)等)时可以进一步提高VMQ/EG材料的导热系数。(4)硅橡胶/三元乙丙橡胶(EPDM)导热并用胶研究。系统研究了固定硅橡胶与EPDM配比的条件下,增容剂Si69以及硫化剂DCP用量对并用导热硅橡胶力学性能的影响,以及导热填料及配合方法等对并用橡胶的力学性能、导热性能的影响。硅橡胶/EPDM并用导热硅橡胶与纯导热硅橡胶相比,其力学性能可得到显著提高。并用橡胶的热稳定性介于纯硅橡胶和EPDM之间。