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硅橡胶的改性研究

发布日期:2018/11/14 16:22:10

背景及概述[1][2]

硅橡胶是一种以硅—氧为主链的无机高分子弹性物质。由于硅—氧键的键能比较高,不易断裂,使这种橡胶具有耐高温、耐低温等优异特性。它既可以在250~300℃范围内较长期地使用,也可以在—70~-100℃低温下保持足够的弹性。硅橡胶在外观上很像普通橡胶,但硅橡胶具有高度的热稳定性和弹性。在-60~300℃范围内保持原有的特性。高温下被压缩 时收缩性很小,外力解除后又恢复原状。

硅橡胶不与氧、臭氧作用,所以不会老化,也不受紫外线和其他电荷放电的影响。硅橡胶 具有耐火、耐水性能,不腐蚀金属、不溶于 油类和碳氢化合物之中,但在烷烃、芳烃化 合物中发生溶胀现象,在强酸强碱中不丧失 原有的性能,它无毒、无味,具有生理惰性。硅橡胶按硫化方法分为热硫化型和室温 硫化型,后者发展速度较快。

室温硫化硅橡 胶是含端羟基的聚二甲基硅氧烷和聚甲基乙 氧基硅氧烷的共混物,不须加交联剂,它可 添加1%~15%的催化剂 (例如二丁基二月 桂酸锡)后,室温下经过4~24h即可固化为 弹性硅橡胶。硅橡胶可用作电线、电缆、金属制件保 护层、隔热保护涂层、垫件密封件,防震件,以及医用材料。国外主要生产厂家有美国Dow Corning、Mobay Chem、General Electric等公司,德国Bayer、Wacker等公司。中国成都有机硅中心、上海橡胶制品所 等有产品。

硅橡胶中的硅和氧都是无毒元素、再加上选用无毒的加工配合剂,使它具有奇妙的生理惰性,它的硅—氧主键周围、屏蔽着由一个碳和三个氢组成的甲基基团,对主链起了很好的保护作用,使它具有良好的耐老化性。而且,人体对硅橡胶的排异性非常小。这样,使它非常适合于在食品工业和医药工作中应用。随着科学技术日新月异的发展,硅橡胶新品种不断得到开发,人们在它的链节中引进新的化学元素和化学基团,以改良它的性能。

生产出耐油性特别好的氟硅橡胶、腈硅橡胶,综合性能优良的苯基硅橡胶、芳基硅橡胶和芳撑硅橡胶,耐热性特别好的硅硼橡胶等新产品,在医学、军工、航天等领域中,发挥越来越大的作用。

结构

硅橡胶是含有硅原子的特种合成橡胶的总体。

分子中主要是甲基、部分是乙基、乙烯基、苯基或其它特种有机基团,用以改进生胶的性能。

性能及应用[2][3]

1. 导热性。

导热橡胶具有优 良的散热作用和减震作用,在电磁屏蔽、电子信息、机械工程等领域具有广泛的应用。采用 RTV 硅橡胶和导热填料复合,配 以硫化剂、催化剂,经硫化得到的弹性体具有较高的导热性,优异的电绝缘性及耐水、耐臭氧、耐气候老化等性能,可用作绝缘导热灌封料。

用导热系数大于15 W/m ·K 的精硅石和导热炭黑填充硅橡胶,制得了导热系数大于 0.4 W/m ·K,电阻率大于1 012 Q·cm 的导热绝缘硅橡胶,适用于液 晶显示屏 的橡胶垫片。用含有 A 103 的硅橡胶制作电子元器件的导 热层,当 A I 0 用量是聚合物 的 3 倍时,材料的导热系数可达 2.72 W/m ·K。在加成型室温硫化硅橡胶中填充两种高导热无机粉末的混合物制备 了高导热硅橡胶,具有绝缘、耐热、阻燃等优异性能,适用于固定辊以及固定带的表面涂层,如复 印机 或激光打 印机 的压力辊。

在 100 份硅橡胶中添加 100-500 份,所得材料可用于制作电子照相.仿形切削设备上装配辊的外层,其导熟性和耐久性均很好。在硅橡胶中大量填充 A1:0,可同时获得高导热性和阻燃性。通过添加银粉和BN 以及铂基阻燃剂,可制备兼具阻燃性和导热性的硅橡胶,其导热系数可达 14W/m ·K ,阻燃级别为 V-l。

2. 电绝缘性

它还具有优良的电绝缘性,这使它在电器和电子工业中具有广阔的用途。在高温和低温下使用的电线、电缆,以及电器设备的耐热绝缘包层都离不开它。在航空和航天工业中,常用它来制造飞机机仓密封和发动机的耐热防冻软管。硅橡胶与溶剂油的化学组成截然不同,这使它具有优异的耐油性。

可以用它来制成输油导管,火箭燃烧油门和火箭发射并架涂层等制品。硅橡胶还具有非常光滑的表面和疏水性,用硅橡胶制造涂层,可以对覆盖的建筑物起良好的保护作用,防止雨水的侵蚀。用这种胶浆涂复后,还可以轻而易举地把两种材料的界面隔离开来,在许多材料的加工工艺中得到了应用。

3. 医用

硅橡胶作为医用橡胶,获得了越来越好的名声。人们常用它来制造血管、人造心脏瓣膜、人造关节等人造器官;也可以用它来制造人工心脏机、人造肾脏、输血导管和其它各种导管。此外,还可以用硅橡胶制作药用垫片,瓶塞及避孕用具等。用硅橡胶制成的医疗器具使用安全,寿命长,而且具有足够的弹性,与人体细胞相溶性好,深受医生和病人的欢迎。

改性[4]

硅橡胶在机械强度、耐油、耐溶剂、耐酸、耐碱和耐蒸汽等方面存在一定的不足。改性研究一直是高分子材料的研究热点之。改性方法主要分为物理改性 与化学改性,其中化学改性是通过化学接枝、共聚等方法对聚合物分子链进行改性,但使用的手段以及对聚合物的物理机械性能的改善效果有限。

物理改性主要包括与其它高聚物共混改性与填充改性。共混改性有利于补充单一组分的不足,填充改性能够在某种程度上提高高聚物的物理机械性能,降低原材料的成本,或赋予材料新的功能。共混改性与填充改性都具有方法简单灵活的优点。

1. 共混改性

与氟 橡胶 (FP M ) 的共混FPM 具有耐油、耐溶剂、耐化学药品、耐强氧化剂、阻燃、耐高温等一系列优良的特性,但 FPM的弹性、耐低温性能和加工性能不佳;硅橡胶 与FPM 共混可以改善其耐寒性和加工性能。FPM和硅橡胶二者极性相差很大,在热力学上是不相容的体系,提高两者相容性是前的技术难点。

研究不同共混比例的硅橡胶/FPM 共混胶的物理机械性能、相容性 和热稳定性,证明硅橡胶/FPM共混胶属于工艺相容体系;由扫描电镜 (SE M ) 与原子力显微镜 (A F M ) 显示,共混胶呈现微观非均相结构。将平均粒径为33 m 的硅橡胶硫化粉末 (SVP) 和平均粒径为1.0 m 的氟橡胶硫化粉末 (FVP ),分别替代上述共混弹性体中对应的硅橡胶和 FP M,结果表明:与加人SV P 相比,加入FVP 所得弹性体的力学性能好,挤出膨胀比小,表面更加光滑 。

2. 填料改性

目前气相白炭黑作为硅橡胶 主要 补强填充剂,能赋予硅橡胶良好的力学性能。但是,气相白炭黑表面含有的大量羟基,能与硅橡胶分子的端基进行缩合反应,容易产生结构化效应,从而使胶料硬化,加工困难,并且气炭黑价格昂贵。

矿物微粉与纳米粒子的粒径小,比表面积大,非配对的原子多,并且还有许多空闲键,具有很强吸附其它原子的能力,填充改性硅橡胶后,所制得的复合材料能够将无机物的刚性、尺寸稳定性、热稳定性、阻隔性好等特点与硅橡胶的高弹性、柔韧性很好地结合起来,具有较好 的热稳定性、机械力学性能和加工性能。同时,以硅橡胶为基材,加入各种导电、导热填料,制备具有导电、导热等特殊性能的复合高性能材料,也已得到广泛应用。

主要参考资料

[1] 精细化工辞典

[2] 西方文化百科

[3] 许莉, 腾雅娣, 华远达, & 张丽丽. (2007). 硅橡胶的研究与应用进展. 特种橡胶制品, 28(1), 55-60.

[4] 涂婷, 陈福林, 岑兰, & 周彦豪. (2010). 硅橡胶的物理改性研究进展. 彈性體, 20(2), 77-82.

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