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氣相二氧化硅在硅橡膠中的應用

氣相二氧化硅在高溫硫化(HTV)硅橡膠中的應用

氣相二氧化硅的使用可以分為有機硅材料和其它領域,其中在有機硅材料中的用量占氣相二氧化硅總用量近60%,硅橡膠是有機硅材料中使用氣相二氧化硅最多的材料,其添加量可高達50%以上。氣相二氧化硅在HVT硅橡膠中主要起補強作用,由于硅橡膠分子鏈非常柔順,鏈間相互作用力較弱,因此未經補強的硅橡膠強度非常低(不超過0.4MPa),沒有使用價值,必須經過補強之后才能應用,而經過氣相二氧化硅補強的硅橡膠,其強度提高可達40倍。


氣相二氧化硅對HTV硅橡膠力學性能的影響

氣相二氧化硅對HTV硅橡膠的補強受其粒徑、比較面積和結構性的影響,一般是粒徑越小,比表面積越高,結構性越高,補強效果越好,硫化膠的強度、硬度越高。此外,氣相二氧化硅的用量和它在基質中的分散好壞對硫化膠的性能影響也非常大,圖1是氣相二氧化硅用量對硫化膠拉伸強度的影響圖。從圖中可以看出,隨著氣相二氧化硅用量的增加,硫化膠的強度增加,一般是用量在35-50份時達到峰值。關于氣相二氧化硅對硅橡膠的補強機理及模型也非常多,比較認可的解釋是氣相二氧化硅表面的自由羥基與硅橡膠分子形成了物理或化學結合,在二氧化硅表面形成硅橡膠分子吸附層,構成氣相二氧化硅與硅橡膠分子聯成一體的三維網絡結構,從而有效限制硅橡膠分子鏈的形變而其到補強作用。硫化膠的撕裂強度的變化情況與拉伸強度相似,都是隨著氣相二氧化硅的補強性提高而增加,隨氣相二氧化硅的用量增加而先增加,達到峰值后稍微下降。


氣相二氧化硅對HTV硅橡膠加工性能的影響

氣相二氧化硅對HTV硅橡膠加工性能的影響一般是以結構化程度(∆Crepe)表示,∆Crepe等于混煉膠在室溫下存放28天后的可塑性值(p28)和混煉完后立即測定的可塑性值(P0)之差,膠料的可塑性值與氣相二氧化硅的用量、表面性質和結構性有關。產生結構化的原因是由于氣相二氧化硅的表面羥基與硅橡膠中的氧原子形成氫鍵以及二氧化硅表面吸附硅橡膠分子鏈,導致膠料隨著時間的延長,其流動性下降,膠料變硬,影響加工性能。因此在使用過程中都需要加入結構控制劑或者選擇經過表面處理的氣相二氧化硅,結構控制劑的加入以及氣相二氧化硅的表面處理,都是通過結構控制機或表面處理劑與二氧化硅表面的硅羥基反應,從而減少表面羥基數量,使得與硅橡膠形成氫鍵的數量下降,使混煉膠的混煉時間縮短,可塑性增加,起到降低結構化效應,提高加工性能和儲存穩定性的目的。


氣相二氧化硅在室溫硫化(RTV)硅橡膠中的應用

室溫硫化(RTV)硅橡膠,在產品形態上分為單組分(RTV-1)和雙組分(RTV-2)兩大類;從硫化機理上又分為縮合型和加成型兩個體系。各種形態的室溫硫化硅橡膠,都需要用填料補強才有使用價值,目前,氣相二氧化硅是使用最多也最有效的RTV硅橡膠補強填料。由于RTV硅橡膠一般作為澆注、嵌縫、涂復等密封材料,為了保持硫化前的粘度和流動性,所以氣相二氧化硅的添加量一般比高溫硫化硅橡膠少的多,并且經常與其它補強和半補強填料一起使用,以便于施工操作。


氣相二氧化硅添加量對RTV硅橡膠拉伸強度和硬度的影響

氣相二氧化硅是RTV硅橡膠非常有效的補強填料,可以顯著提高其強度。這一方面是由于氣相二氧化硅粒子的小尺寸效應和大的比表面積;另一方面是因為其表面含有很多硅羥基,粒子可以通過氫鍵和范德華力的作用形成網絡結構,同時二氧化硅粒子也與聚硅氧烷分子產生強的相互作用,改善了界面粘結。氣相二氧化硅粒徑越小,比表面積越大,粒子與膠料的接觸面大,結合點多,對RTV硅橡膠的補強性能越好,硫化膠的拉伸強度、撕裂強度、耐磨性、硬度也高,但同時分散變得非常困難,彈性下降,加工性能惡化,因此,RTV硅橡膠一般選用比表面積相對較低(200m2/g以下)的氣相二氧化硅作為填料[16]。未經補強的硅橡膠硫化之后呈脆性,加入氣相二氧化硅補強后,硅橡膠的硬度隨二氧化硅的加入量的增加而上升。


氣相二氧化硅添加量對RTV硅橡膠流變學性能的影響

氣相二氧化硅聚集體具有立體分支結構,可以在分散體系中形成一種相互作用的網絡,利用這用特性,氣相二氧化硅在密封膠領域,作為增稠劑和觸變劑,可以增加粘度,保證膠料的自由流動性,具有防止結塊、流掛、塌陷等作用。氣相二氧化硅的增稠和觸變機理主要是通過表面硅羥基的氫鍵的相互作用來實現的,當其聚硅氧烷中分散后,不同粒子間通過其表面的硅羥基產生氫鍵作用,形成一個二氧化硅網絡,使體系的流動性受到限制,粘度增加,起到增稠的作用;在受到剪切力的作用時,二氧化硅網絡收到破壞,導致體系粘度下降,發生觸變效應,有利于施工。一旦剪切力消失,氫鍵重新形成,二氧化硅網絡又重新恢復,RTV硅橡膠膠料體系的粘度也逐漸回升,有效防止了膠料在硫化過程中的流掛現象[17]。體系的防流掛特性與材料在使用時受到的剪切之后的屈服值和網絡還原率密切相關。實際應用中,屈服值越高,膠料的防流掛性能越好。理想的膠料應該具有高屈服值、高剪切稀釋指數和快速的還原率。


氣相二氧化硅分散性對RTV硅橡膠性能的影響

在RTV硅橡膠中添加氣相二氧化硅時,必須注意其在聚合物中的分散程度。在分散過程停止后,達到最佳分散狀況的氣相二氧化硅會在系統中形成完整的網絡,具有高粘度和優良的觸變特性,膠料受到剪切力作用時,粘度大幅度下降,呈現出一定的流動性,剪切力解除后,粘度會迅速恢復;如果分散不夠或者過度分散,都只會形成部分氣相白炭黑網絡,導致較低的粘度和較差的觸變特性。在透明體系中,透光度越高,則表明白炭黑的分散度越好。相同的分散條件下,含有較大比表面積氣相二氧化硅產品一般具有較好的透明度。


綜上所述,氣相二氧化硅是硅橡膠必不可少的補強材料,由于其獨特的性能,它也在其它領域,如:涂料、油墨、醫藥、化妝品以及化學機械拋光(CMP)等得到了廣泛應用,發展前景也十分光明。


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