CN101942122B - 一种导热天然橡胶复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种导热天然橡胶复合材料及其制备方法 Download PDF

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本发明公开了一种导热天然橡胶复合材料及其制备方法，属于橡胶复合材料领域，解决现有技术无法通过利用石墨的优良性能，来提高天然橡胶的导热性能的问题。制备方法包括：（1）导热填料的制备：将天然鳞片石墨浸没在浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中，超声处理，过滤，水洗，干燥粉碎，膨胀处理；（2）导热填料的表面处理：将导热填料浸泡到表面处理剂溶液中，超声处理，过滤干燥；（3）导热天然橡胶复合材料的制备：先将天然橡胶塑炼，待其包辊后加入加入其它原料进行混炼，然后硫化成型，即得成品。本发明利用膨胀石墨优良的导热性能和高的长径比来制备导热天然橡胶复合材料，制得的橡胶复合材料具有导热性能优异、易于散热等优点。

Description

一种导热天然橡胶复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及橡胶复合材料，具体涉及一种导热天然橡胶复合材料，本发明还涉及该导热天然橡胶复合材料的制备方法。
背景技术
天然橡胶是橡胶工业使用最广泛的品种，在橡胶工业中具有举足轻重的地位。然而，天然橡胶是热的不良导体，在动态条件下所产生的热不能够快速的传递出去，导致材料的温度升高，性能变差，使用寿命缩短，因此，提高天然橡胶复合材料的导热性能十分必要。
石墨具有与层状硅酸盐类似的片层结构，其导热性能优异，导热系数在116～235W/( W/m·k)之间，与金属相近，并且石墨易被浓硝酸、浓硫酸等氧化成为可膨胀石墨。可膨胀石墨作为一种石墨层间化合物，经高温膨化后可得到疏松多孔的蠕虫状膨胀石墨。膨胀石墨具有密度小、体积大的特点，在相同添加质量份数的情况下，在复合材料中具有更大的体积份数，从而更易形成有效的导热网链，更有效的提高复合材料的导热系数。经过表面处理的膨胀石墨不但可以提高和天然橡胶的相容性，而且还可以改善在复合材料中的分散均匀性，同时由于石墨价格低廉，因此还可以有效的降低成本。
目前，还未见利用石墨来提高天然橡胶导热性的报道，也没有相应的利用石墨来制备导热橡胶的制备方法。
发明内容
本发明是为了解决现有技术无法通过利用石墨来制备导热天然橡胶的问题，而提供了一种导热天然橡胶复合材料及其制备方法。
一种导热天然橡胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）导热填料的制备：
将天然鳞片石墨浸没在体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中，天然鳞片石墨的质量与混合溶液的体积比为1(g): 5(mL)，40℃下超声处理, 超声功率为50～300W,0.5~2小时，过滤，水洗至pH=6.8～7.2，40℃下真空干燥20～28小时后，用粉碎机粉碎，得到可膨胀石墨，然后在马弗炉中在900℃~1000℃膨胀1～3分钟，得到蠕虫状的膨胀石墨，即得导热填料；
（2）导热填料的表面处理：
将导热填料浸泡到浓度为1~5%的表面处理剂溶液中，超声处理0.5~2小时，超声功率为50～300W,过滤，真空干燥，得到经过表面处理的导热填料；
（3）导热天然橡胶复合材料的制备：
在开放式炼胶机上，先将天然橡胶塑炼，待其包辊后依次加入硬脂酸、氧化锌、防老剂、炭黑、导热填料、石蜡油、促进剂和硫化剂，其中天然橡胶、炭黑、导热填料的质量比为100：30～80：30～300，然后进行混炼，混炼均匀后下片，得到混炼胶，将混炼胶在室温下放置24小时，然后硫化成型，即得成品。
进一步地，所述的天然鳞片石墨的粒度为300～2000目。
所述的表面处理剂为硅烷偶联剂的乙醇溶液或钛酸酯偶联剂的乙醇溶液。
所述的天然橡胶为烟片胶。
所述的炭黑为乙炔炭黑。
根据本发明所述方法制得的导热天然橡胶复合材料。
将依据本发明所述方法制得的导热天然橡胶复合材料进行性能测试：拉伸性能按照GB/T 528-92测定，导热系数按照稳态平板法测定，分别对添加粒度为300目、1000目、1500目、2000目的石墨所制得的导热橡胶的拉伸强度进行测定，结果如下表所示：
　 拉伸强度TS(Mpa) 拉伸强度TS(Mpa) 拉伸强度TS(Mpa) 拉伸强度TS(Mpa)
　 300目 1000目 1500目 2000目
第 1 根 14.78 10.19 5.98 13.4
第 2 根 10.91 9.92 6.4 13.09
第 3 根 14.39 10.14 5.74 12.38
第 4 根 15.79 9.8 6.03 13.3
第 5 根 15.22 10.53 6.24 12.5
本发明利用膨胀石墨优良的导热性能和高的长径比来制备导热天然橡胶复合材料。从附图1、2所示可得，微观分析表明膨胀石墨在天然橡胶基体中分散均匀，形成了导热网链，因此，本发明的橡胶复合材料具有导热性能优异、易于散热等优点。此外，由于膨胀石墨的密度较低，因此，本发明的导热橡胶复合材料的密度大大低于传统的金属及金属氧化物复合材料，并且价格便宜，成型加工性能好。因此，本发明的导热橡胶复合材料可望在散热元件（如散热翅片之间的散热部件）和动态生热较大的元器件（如经常在动态情况下使用的负重轮，减震器等）中获得广泛应用。
附图说明
图1为添加粒度为300目的石墨所制得的导热橡胶的电镜图片；
图2为添加粒度为2000目的石墨所制得的导热橡胶的电镜图片。
具体实施方式
实施例1
（1）可膨胀石墨的制备
将200克300目的天然鳞片石墨浸没在1000ml的浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中（浓硫酸和浓硝酸的体积比为3：1），在40℃下超声处理2小时，超声功率为50W。将处理物用聚四氟乙烯膜过滤，水洗至PH=7，然后在40℃下真空干燥24小时，粉碎，得到可膨胀石墨。
（2）膨胀石墨的制备
将可膨胀石墨在马弗炉中于950℃膨胀1min，超声处理1小时，超声功率为100W，得到蠕虫状的膨胀石墨。
（3）膨胀石墨的表面处理
将蠕虫状的膨胀石墨加入到浓度为5%的Si69乙醇溶液中浸泡2小时，过滤，真空干燥，得到经表面处理的膨胀石墨。
（4）导热天然橡胶复合材料的制备
在开放式炼胶机上，先将400克天然橡胶塑炼5分钟，待其包辊后依次加入小料（硬脂酸、氧化锌、防老剂）、乙炔炭黑、经表面处理的膨胀石墨、石蜡油、促进剂和硫化剂，待所有添加剂都添加完毕后，左右捣胶，薄通后下片，得到混炼胶。
将混炼胶在室温下放置24小时，然后将其在25吨平板硫化机上硫化成型，硫化条件为145℃×30min,即得成品。
经性能测试，该导热橡胶复合材料的拉伸强度为15MPa，导热系数为0.6 W/m·k。
实施例2
（1）可膨胀石墨的制备
将200克1500目的天然鳞片石墨浸没在1000ml的浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中（浓硫酸和浓硝酸的体积比为3：1），在40℃下超声处理2小时，超声功率为100W。将处理物用聚四氟乙烯膜过滤，水洗至PH=7，然后在40℃下真空干燥24小时，粉碎，得到可膨胀石墨。
（2）膨胀石墨的制备
将可膨胀石墨在马弗炉中于900℃膨胀1min，超声处理2小时，超声功率为50W，得到蠕虫状的膨胀石墨。
（3）膨胀石墨的表面处理
将蠕虫状的膨胀石墨加入到浓度为5%的Si69乙醇溶液中浸泡0.5小时，过滤，真空干燥，得到经表面处理的膨胀石墨。
（4）导热天然橡胶复合材料的制备
在开放式炼胶机上，先将400克天然橡胶塑炼5分钟，待其包辊后依次加入小料（硬脂酸、氧化锌、防老剂）、乙炔炭黑、经表面处理的膨胀石墨、石蜡油、促进剂和硫化剂，待所有添加剂都添加完毕后，左右捣胶，薄通后下片，得到混炼胶。
将混炼胶在室温下放置24小时，然后将其在25吨平板硫化机上硫化成型，硫化条件为140℃×30min,即得成品。
经性能测试，该导热橡胶复合材料的拉伸强度为16MPa，导热系数为0.8W/m·k。
实施例3
（1）可膨胀石墨的制备
将400克1000目的天然鳞片石墨浸没在2000ml的浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中（浓硫酸和浓硝酸的体积比为3：1），在40℃下超声处理2小时，超声功率为200W。将处理物用聚四氟乙烯膜过滤，水洗至PH=7，然后在40℃下真空干燥24小时，粉碎，得到可膨胀石墨。
（2）膨胀石墨的制备
将可膨胀石墨在马弗炉中于980℃膨胀1min，超声处理0.5小时，超声功率为50W，得到蠕虫状的膨胀石墨。
（3）膨胀石墨的表面处理
将蠕虫状的膨胀石墨加入到浓度为3%的Si69乙醇溶液中浸泡2小时，过滤，真空干燥，得到经表面处理的膨胀石墨。
（4）导热天然橡胶复合材料的制备
在开放式炼胶机上，先将200克天然橡胶塑炼5分钟，待其包辊后依次加入小料（硬脂酸、氧化锌、防老剂）、乙炔炭黑、经表面处理的膨胀石墨、石蜡油、促进剂和硫化剂，待所有添加剂都添加完毕后，左右捣胶，薄通后下片，得到混炼胶。
将混炼胶在室温下放置24小时，然后将其在25吨平板硫化机上硫化成型，硫化条件为135℃×35min,即得成品。
经性能测试，该导热橡胶复合材料的拉伸强度为10MPa，导热系数为1.8W/m·k。
实施例4
（1）可膨胀石墨的制备
将400克2000目的天然鳞片石墨浸没在2000ml的浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中（浓硫酸和浓硝酸的体积比为3：1），在40℃下超声处理2小时，超声功率为150W。将处理物用聚四氟乙烯膜过滤，水洗至PH=7，然后在40℃下真空干燥24小时，粉碎，得到可膨胀石墨。
（2）膨胀石墨的制备
将可膨胀石墨在马弗炉中于900℃膨胀1min，超声处理1.5小时，超声功率为200W，得到蠕虫状的膨胀石墨。
（3）膨胀石墨的表面处理
将蠕虫状的膨胀石墨加入到浓度为3%的钛酸酯乙醇溶液中浸泡1小时，过滤，真空干燥，得到经表面处理的膨胀石墨。
（4）导热天然橡胶复合材料的制备
在开放式炼胶机上，先将200克天然橡胶塑炼5分钟，待其包辊后依次加入小料（硬脂酸、氧化锌、防老剂）、乙炔炭黑、经表面处理的膨胀石墨、石蜡油、促进剂和硫化剂，待所有添加剂都添加完毕后，左右捣胶，薄通后下片，得到混炼胶。
将混炼胶在室温下放置24小时，然后将其在25吨平板硫化机上硫化成型，硫化条件为140℃×38min,即得成品。
经性能测试，该导热橡胶复合材料的拉伸强度为13MPa，导热系数为2.0W/m·k。
实施例5
（1）可膨胀石墨的制备
将450克1500目的天然鳞片石墨浸没在2250ml的浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中（浓硫酸和浓硝酸的体积比为3：1），在40℃下超声处理2小时，超声功率为300W。将处理物用聚四氟乙烯膜过滤，水洗至PH=7，然后在40℃下真空干燥24小时，粉碎，得到可膨胀石墨。
（2）膨胀石墨的制备
将可膨胀石墨在马弗炉中于1000℃膨胀1min，超声处理2小时，超声功率为250W得到蠕虫状的膨胀石墨。
（3）膨胀石墨的表面处理
将蠕虫状的膨胀石墨加入到浓度为3%的钛酸酯乙醇溶液中浸泡2小时，过滤，真空干燥，得到经表面处理的膨胀石墨。
（4）导热天然橡胶复合材料的制备
在开放式炼胶机上，先将150克天然橡胶塑炼5分钟，待其包辊后依次加入小料（硬脂酸、氧化锌、防老剂）、乙炔炭黑、经表面处理的膨胀石墨、石蜡油、促进剂和硫化剂，待所有添加剂都添加完毕后，左右捣胶，薄通后下片，得到混炼胶。
将混炼胶在室温下放置24小时，然后将其在25吨平板硫化机上硫化成型，硫化条件为133℃×36min,即得成品。
经性能测试，该导热橡胶复合材料的拉伸强度为6MPa，导热系数为4.2W/m·k。

Claims (5)

1.一种导热天然橡胶复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）导热填料的制备：
将粒度为300～2000目天然鳞片石墨浸没在体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中，其中以克计算的天然鳞片石墨的质量与以毫升计算的混合溶液的体积比为1: 5，40℃下超声处理0.5~2小时，超声功率为50～300W,过滤，水洗至pH=6.8～7.2，40℃下真空干燥20～28小时后，用粉碎机粉碎，得到可膨胀石墨，然后于马弗炉中在900℃~1000℃膨胀1～3分钟，得到蠕虫状的膨胀石墨，即为导热填料；
（2）导热填料的表面处理：
将导热填料浸泡到浓度为1~5%的表面处理剂溶液中，超声处理0.5~2小时，超声功率为50～300W,过滤，真空干燥，得到经过表面处理的导热填料；
（3）导热天然橡胶复合材料的制备：
在开放式炼胶机上，先将天然橡胶塑炼，待其包辊后依次加入硬脂酸、氧化锌、防老剂、炭黑、导热填料、石蜡油、促进剂和硫化剂，其中天然橡胶、炭黑、导热填料的质量比为100：30～80：30～300，然后进行混炼，混炼均匀后下片，得到混炼胶，将混炼胶在室温下放置24小时，然后硫化成型，即得成品。
2.根据权利要求1所述的一种导热天然橡胶复合材料的制备方法，其特征是所述的表面处理剂为硅烷偶联剂的乙醇溶液或钛酸酯偶联剂的乙醇溶液。
3.根据权利要求1或2所述的一种导热天然橡胶复合材料的制备方法，其特征是所述的天然橡胶为烟片胶。
4.根据权利要求1或2所述的一种导热天然橡胶复合材料的制备方法，其特征是所述的炭黑为乙炔炭黑。
5.根据权利要求1至4所述的任何一种导热天然橡胶复合材料的制备方法制得的导热天然橡胶复合材料。
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