加成型液体硅橡胶的流动性及结构性能的研究
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加成型液体硅橡胶的流动性及结构性能的研究/雷卫华等 ・ 89 ・ 加成型液体硅橡胶的流动性及结构性能的研究 雷卫华 ,朱敬芝 ,许冰 (1 中国工程物理研究院化工材料研究所,绵阳621900;2二炮驻中物院军代室,绵阳621900) 摘要 采用两种二氧化硅粒子填充a, 双乙烯基聚二甲基硅氧烷,以含氢聚硅氧烷作为交联剂,在铂催化荆 作用下固化得到了加成型液体硅橡胶材料,对其流动性和力学性能进行了研究。结果发现,液体硅橡胶的粘度随着 双乙烯基聚二甲基硅氧烷分子量增大而逐渐增加,在超过临界分子量时粘度迅速升高,液体硅橡胶的力学强度在分 子量28000 ̄35000时出现极大值。随着动态扫描频率的升高,液体硅橡胶的动态粘度减小,储能模量和损耗模量增 加。疏水气相法二氧化硅对聚二甲基硅氧烷的增稠效应大于沉淀法二氧化硅,粘度对温度的敏感性要小,在硅橡胶 中的分散较为均匀、补强效果优于沉淀法二氧化硅,但可填充体积分数小。含氢硅油交联剂的含氢量在0.4 ~ 0.8 ,A值(Si-H/si—CH—CH2比)接近1.1时,液体硅橡胶的力学性能较优。 关键词 液体加成有机硅橡胶流动性力学性能 中图分类号:037;063;TQ31 文献标识码:A DOI:10.I1896/j.issn.1005—023X.2015.12.020 Study of the Rheology and Structure Properties of Addition—cured Liquid Silicone Rubber LEI Weihua ,ZHU Jingzhi ,XU Bing (1 The Institute of Chemical Materials,CAEP,Mianyang 621900;2 Military Representatives Office in CAEP,MianyanN 621900) Abstract a,ardivinyl polydimethylsiloxane was filled by two kinds of silica,and was subsequently cured by ac— tive hydrogen-containing polysiloxane,catalyzed by the platinum complexes.And then the vulcanized LSR materials were obtained.It was found that,with the increase of polydimethylsiloxane molecule weight,the viscosity of liquid silicone rubber grew gradually,and then was shot up while above the critical gwo The mechanical properties reached to maximum point in the MW 280OO一35000.With the increase of frequency of dynamic rheological measurement。its storage and lOSS modulus increased while its viscosity decreased.In contrast to the precipitated silica,the hydrophobic fumed silica had greater thickening effects on liquid polydimethylsiloxane,smaller thermal sensitivity tO viscosity,bet- ter dispersion and stronger enforcing effect,but less permitted volume fraction for loading.While the active-hydrogen mass percentage was between 0.4一O.8,and theA value(i.e.SiH/Si—CH—CH2 ratio)was near 1.1,the mechanical properties of the addition-curable 1iquid rubber performed wel1. Key words liquid,addition-curable,silicone rubber,rheology,mechanical properties 0 引言 加成型液体硅橡胶(Liquid addition-curable silicone rub— ber)是近年来发展迅速的一个硅橡胶品种,它具有流动性 好、密封性优、力学性能可调的特点,工艺简便(可浇铸、注 本工作采用二氧化硅粒子补强a, 双乙烯基聚二甲基硅氧 烷,并在铂催化剂作用下用含氢硅油交联,制备了液体加成 硅橡胶,研究了影响流动性与结构、力学性能的因素。 1 实验 1.1 实验设备与原材料 MX-2捏合机,成都科强机械公司;欧洲之星数显搅拌器 基本型,德国IKA公司;MC-10数显显微镜,日本浩氏株式 会社;Instron 5580材料试验机,英国;RS-600旋转流变仪, 美国TA公司;TH-200硬度计,北京时代集团;真空干燥器, 市售;场扫描电子显微镜,¥440,Leica Cambridge公司;傅里 叶红外光谱仪,NICOLET6700,美国NICOLET公司。 a, 双乙烯基聚二甲基硅氧烷(双乙烯基硅油,分子量 塑、模塑)、收缩率低、内外同步硫化,在硫化过程中不产生副 产物、高温硫化快、生产效率高,并可制得高纯度、高透明性、 高精度、高力学性能等高档产品,在航空航天、电子电器、电 力电缆、交通运输、设备仪器、压敏胶带、医用材料及生活制 品等领域得到广泛应用。 自2O世纪90年代以来,国内对加成型液体硅橡胶的研 究开发极为活跃[】 ],主要集中在液体硅橡胶补强和应用方 面,但对其流动性、分散性及其与力学性能的相关研究较少。 *国家自然科学基金(11302197) 雷卫华:男,1971年生,硕士,副研究员,主要从事功能橡胶及其泡沫材料的研究 ・90・ 材料导报B:研究篇 2015年6月(下)第29卷第6期 9400 ̄72000),含氢聚硅氧烷(含氢硅油,含氢量0.25 ~ 1.56%),铂催化剂VM23(3000×10 ),上海建橙工贸公司; 疏水气相法二氧化硅,R一812S,比表面积230 m。/g,赢创德固 赛公司;沉淀法二氧化硅36—5,比表面积144 m /g,吉林通化 双龙化工股份有限公司产;结构控制剂,抑制剂,甲苯,市售。 1.2实验方法 将a,∞一双乙烯基聚硅氧烷投入捏合机腔体,加入二氧化 硅粒子、结构控制剂捏合,在完全吃粉后,升温至150 oC,抽 真空2 h、卸料入容器中,冷却至常温,得到含二氧化硅的聚 硅氧烷基料。在基料中加入含氢聚硅氧烷、铂催化剂、抑制 剂等,搅拌均匀,抽真空排气后将胶液浇入模具中,常温固化 得到硅橡胶材料。 1.3测试方法 1.3.1 流变性能 使用RS-600转矩流变仪,在1 S 1剪切速率条件下,测试 液体硅橡胶在室温下及不同温度下的粘度变化,并在室温下 测试不同频率下的动态流变性能。 1.3.2硬度 按GB/T531.1—2009,采用TH一200橡胶硬度计测试液 体硅橡胶的邵氏A硬度。 1.3.3拉伸性能 按GB/T528—2009,采用I型裁刀裁取哑铃型试样,一 d)趣摇 在In— stron5580材料试验机上测试液体硅橡胶试样的拉伸强度、O ∞ 如 柏 如 加 m O O 0 O O 0 伸长率和100 定伸应力。 1.3.4扫描电镜 试样表面喷金后,在场发射电子扫描显微镜上抽真空、 10 kV下拍摄电镜照片。 2结果与讨论 2.1 液体加成硅橡胶的流动性 2.1.1分子量的影响 液体加成硅橡胶为双乙烯基聚二甲基硅氧烷与补强粒 子的分散体系,双乙烯基聚二甲基硅氧烷为弱极性大分子, 分子间主要存在范德华力作用,相互作用力较弱。图1(a)显 示了 ,∞一二乙烯基聚二甲基硅氧烷分子量对疏水气相二氧 化硅(体积分数为0.09)填充液体硅橡胶粘度的影响。聚二 甲基硅氧烷分子量由9400增大至35000时,液体胶的粘度 逐渐增大,在分子量小于35000时液体胶粘度低于100 Pa・ S、流动性较好;在大于35000时液体硅橡胶粘度迅速上升, 在72000时达到520 Pa・s,液体硅橡胶流动性变差。这是 由于在低分子量时聚硅氧烷分子间的相互作用力小,因此液 体胶粘度低、流动性好;在分子量超过临界缠结分子量时 (PDMS的临界分子量为30000),聚硅氧烷分子之间的相互 作用力增大并且会发生物理缠结,从而导致液体胶粘度迅速 上升。 图1(b)显示了二氧化硅的体积分数对不同分子量液体 硅橡胶粘度的影响。由图1(b)中曲线可见:(1)随着分子量 减小,液体胶的粘度逐渐减小,达到相同粘度时的二氧化硅 体积分数增大;(2)随着二氧化硅体积分数的增加,液体胶的 粘度逐渐增大,并在体积分数超过一定值时,粘度急剧增大, 出现粘度拐点。这是由于疏水二氧化硅粒子表面仍有残余 羟基,在高体积分数下粒子间会相互接触、形成氢键、生成填 料交联网络,从而使得液体增稠。粘度拐点处的二氧化硅体 积分数随着分子量降低而逐渐增大,分子量为72000、34500、 9400的粘度拐点体积分数分别为0.07、0.10和0.11。 l0000 30000 50000 70000 分子量 700 600 500 .400 吾 00 冀200 l0O O 0.O2 0.04 0.06 0.08 0.1O O.12 0.14 二氧化硅体积分数 图1聚硅氧烷分子量对液体硅橡胶粘度的影响 Fig.1 The LSR viscosity curves vs molecule- weight of polysiloxane 图2为不同体积分数SiO 填充不同分子量液体硅橡胶 的粘度一温度曲线。图2(a)的lng-1/T曲线显示,单纯的液体 硅橡胶具有良好的lnr/-1/T直线关系,由公式lnr]=lnA+E / (RT)可求出粘流活化能E为l6.1 kl/mol。添加二氧化硅 粒子后,胶液的ln(71)一1/T线性关系随着用量的增大而明显 变差,在100 ̄150℃胶液的粘度下降缓慢,在20 ̄100℃的 温度范围内lnrF1/T有较好的线性关系,在二氧化硅体积分 数为0.07、0.09时的流动活化能Ea分别为15.5 kJ/mol和 27.5 kJ/mol,在二氧化硅体积分数为0.09时活化能大为提 高,粘度对温度的敏感性增大。 图2(b)为不同分子量聚二甲基硅氧烷下的液体硅橡胶 的矿T曲线(二氧化硅体积分数为0.09)。在分子量为 28000 ̄72000时,随着温度的升高液体硅橡胶的粘度逐渐降 低,在100℃以上粘度基本变化不大;在分子量为17200时, 在不同温度下的粘度变化不大;在分子量为9400时,液体胶 在高温下的粘度有轻微的升高。在低分子量时液体硅橡胶 高温下粘度的升高,可能是由于聚合物分子链较短,对二氧 化硅粒子的包覆性差,粒子高温下加剧碰撞、形成聚集体,导 致粘度升高。 加成型液体硅橡胶的流动性及结构性能的研究/雷卫华等 —s. 一、 颦 加 ∞ ∞ ∞∞ O O O O O O O O m ・ 91 ・ 2.1.2二氧化硅粒子对流变性的影响 二氧化硅粒子是硅橡胶的主要补强填充剂,按其制法可 分为气相法与沉淀法两大类。气相法二氧化硅是四氯化硅 在氢氧焰中高温水解生成的纳米二氧化硅粒子,粒径细小 (7~14 nm),比表面积大(150 ̄380 m。/g),表面疏水处理的 气相法二氧化硅粒子在液体硅橡胶中较易分散得到透明的 胶液。沉淀法二氧化硅是由水玻璃在稀酸的作用下生成原 硅酸,再经缩水、凝聚、沉淀而得到的二氧化硅粒子,其原生 粒子为纳米级,但极易凝聚形成亚微米尺寸的二次粒子,在 液体硅橡胶中较难破碎和分散,仅能获得半透明胶液。 从图3(a)可以看出,疏水气相法二氧化硅填充胶的粘度 上升很快,在体积分数为0.09时已达100 Pa・S,沉淀法二 氧化硅填充胶的粘度上升缓慢,在体积分数为0.17时仅有 8O Pa・S,粘度达到500 Pa・S时两种二氧化硅的体积分数 1O0 ∞ ∞ ∞相差约l倍。可见,沉淀法二氧化硅对硅橡胶粘度的影响要 小于气相法二氧化硅,有弱的增稠效应。 温度对两种二氧化硅填充液体硅橡胶粘度的影响如图3 (b)、(c)所示,其剪切速率为l S。随着温度升高,不同二氧 20 40 6O 80 100 l20 140 160 l0 TemperaturefC 化硅在不同用量下填充液体胶的粘度均逐渐降低,但在高用 量和高温下的粘度下降均较为缓慢;在相同体积分数下,随 着温度上升,沉淀法二氧化硅填充液体硅橡胶的粘度下降得 更快,这表明沉淀法二氧化硅填充胶对温度要更为敏感。 图2液体硅橡胶的粘度一温度曲线 Fig.2 The liquid silicone rubber viscosity curves vs temperature 1000 ∞ ∞ 1OO ● 言 ● 1OO 邕 邕 10 蜒 据 10 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0 25 50 75 100 125 150 175 0 25 50 75 100 125 150 175 体积分数 温度,℃ 温度/℃ 图3沉淀法与气相法二氧化硅对液体硅橡胶粘度的影响 Fig.3 Effect of precipitated and fumed silica on the viscosity of liquid silicone rab ̄r 一1 ∞ ● 邑 曼 b 咖 避 握 越 蜒 辎 O.01 0.1 1 10 100 0.01 0.1 1 10 100 O01 .0.1 1 10 100 频率,Hz 频率,Hz 频率/Hz 图4疏水气相法二氧化硅体积分数对液体硅橡胶动态流变性能的影响 Fig.4 The LSR dynamic rheolo cal properties VS volume ratio of hydrophobic fumed silica 2.1.3动态流变性能 图4为疏水气相法二氧化硅填充液体硅橡胶的动态流 变性能曲线。由图4(a)的粘度一频率双对数数据曲线可见, 在SiOz体积分数为0.025时粘度基本不随频率变化,体积分 加成型液体硅橡胶的流动性及结构性能的研究/雷卫华等 ・ 93 ・ 7O 日 60 皇 譬50 戗 垂 0 酷 40 2 30 O.00 0.05 0.10 O.15 0.20 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 体积分数 2lO 4.5 体积分数 l80 4.0 150 皇 0 O 如 O 加 0 O O 、瓣 垂 120 9O 醑 哥 挺 60 3O 0.5 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0 0.O0 0.05 0.10 0.15 0.20 体积分数 体积分数 图7二氧化硅种类和体积分数对液体硅橡胶力学性能的影响 Fig.7 LSR mechanical properties cHi ves vs volume ratio and kind of silica 2.2.3分子量对力学性能的影响 双乙烯基聚二甲基硅氧烷分子量对液体加成硅橡胶力 学性能的影响如图8所示。随着聚二甲基硅氧烷分子量由 橡胶交联网络的伸长有限,在高分子量时伸长率下降可能是 由于交联网络不完善导致的。 9400增加至72000,液体硅橡胶的硬度逐渐下降,但在72000 时有所上升;拉伸强度呈现先上升后或缓慢下降的趋势,在 17200 ̄35000时达到2.84~2.98 MPa,出现极大值;扯断伸 长率也呈现相同的“峰”形变化,但在分子量34500时达到极 大值。 图8分子量对液体硅橡胶力学性能的影响 Fig.8 LSR mechanical properties curves vs molecule-weight 液体加成硅橡胶的交联是通过聚二甲基硅氧烷的端乙 烯基与交联剂发生硅氢加成反应形成网络的。双乙烯基聚 硅氧烷分子量的增加,意味着交联点间分子链长度增大,因 此液体硅橡胶的模量下降、硬度降低。随着分子量的上升, 在28000 35000时拉伸强度达到极大值,这表明此时的交 联密度是较为适宜的;在低分子量时伸长率小于150 ,表明 图9交联剂含氢量对液体硅橡胶力学性能的影响 Fig.9 LSR mechanical property curves vs the aetive-hydrogen content 2.2.4交联剂含氢量的影响 含氢硅油是液体加成硅橡胶的交联剂,其结构为二甲基 加成型液体硅橡胶的流动性及结构性能的研究/雷卫华等 nese) Chinese) ・ 95 ・ 宋晓慧.液体注射成型硅橡胶的研制[J].特种橡胶制品, 2000(6):19 尹志平.铂催化硅氢加成反应硅橡胶口].弹性体,2003,13 (2):52 3 Xu Zhijun,Fan Yuanrong,Tang Songchao.Synthesis of addition liquid vinylsiloxane rubber:Ⅱ.Influnce of surface modification of fumed silica on properties of silicone rubber 6 Zhang Jian,Ye Quanming.Preparation of two-part addition cure potting silicone rubber EJ'1.Silicone Mater(China), 2009,23(1):31(in Chinese) -IJ,1.China Synthetic Rubber Industry,2003,26(1):9(in Chinese) 章坚,叶全明.双组分加成型硅橡胶电子灌封料的制备[J]. 有机硅材料,2009,23(1):31 7 Xu Yongxian。Chen Shigang.Manufacture on addition type transparency liquid silicone rubber for textile trademarks 徐志君,范元蓉,唐颂超.加成型液体乙烯基硅橡胶的研 制一Ⅱ.二氧化硅表面处理对硅橡胶性能的影响[J].合成 橡胶工业,2003,26(1):9 4 Tan Bi’en,Zhang 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