耐超高溫矽膠的熱老化機理及技術方案探討

 

康達科技集團(Qanta Group), 是全球領先的有機矽解決方案供應商之一,致力於提供個性化的有機矽解決方案。其擁有從金屬矽到特種有機矽材料的全方位產品供應鏈。主要業務為特用化學品技術及特殊SILICONE與複合材料相關應用製程技術材料開發、設計、銷售。目前已有18年以上曆史,與全球500強企業有合作銷售經驗,是一家集科研,開發,生產及銷售為一體的國家級高新技術企業,擁有國際化品質,技術和管理及提供一條龍Silicone 材料應用整合。公司擁有廣泛的銷售和研發網絡,可提供有利於未來可持續發展的創新技術和基於市場需求的解決方案

主要經營產品包括沉澱膠、氣相膠、導電膠、阻燃膠、耐高溫膠、絕緣子膠、出油膠、LSR液態射出型矽橡膠、自粘選擇性接著液態射出膠、有機矽改質劑、硫化劑、脫模劑、發泡劑等。康達科技集團有機矽事業部二部經營產品專業應用在特殊塗布、延壓、㨈出、射出、模壓等矽膠製品行業。

產品廣泛應用在在按鍵、密封圈、擠出管、膠輥、墊片、導電黑粒、陽極帽、電線電纜、絕緣子、自潤滑油封、耐熱、防火、運動器材和醫療保健等矽膠產品,為多數國際知名企業采用。

 

矽橡膠具有優異的耐熱性、耐寒性、介電性、耐臭氧和耐大氣老化、生理惰性、外觀美感等性能,矽橡膠突出的性能是使用溫度寬廣,能在-60(或更低的溫度)+220(或更高的溫度)下長期使用,安全穩定等特性,廣泛應用於在工業、生活、軍工、時尚等領域,越來越得到普通老百姓的關注,近幾年來,由於使用的範圍拓寬及要求的升級,更多的技術人員關注怎樣提升矽橡膠的使用溫度,本文和大家一起探討耐熱矽橡膠的技術背景及最新的研發進展,期望能一起提升矽橡膠的耐熱等場合的應用。 

矽橡膠是指主鏈由矽和氧原子交替構成,矽原子上通常連有兩個有機基團的橡膠。普通的矽橡膠主要由含甲基和少量乙烯基的矽氧鏈節組成。苯基的引入可提高矽橡膠的耐高、低溫性能,三氟丙基及氰基的引入則可提高矽橡膠的耐溫及耐油性能。矽橡膠耐低溫性能良好,一般在-55℃下仍能工作。引入苯基後,可達-75℃,甚至更低到-110℃。矽橡膠的耐熱性能也很突出,在220℃下可長期工作,稍高於250℃也能承受數周或更長時間仍有彈性,通過改善膠料的配方及相關助劑配合使用,耐高溫矽膠的耐溫性可獲得較大提升,MSK當前生產的耐高溫矽膠可保持長時間250℃的長期工作,瞬時工況場景可達到400℃。

 

矽橡膠的熱老化機理

矽橡膠在熱氧老化中結構和性能的變化,矽橡膠在熱氧老化過程中的結構變化可分為兩類:

一是以分子鏈降解為主的熱氧老化反應;

二是以分子鏈之間交聯為主的熱氧老化反應。以分子鏈斷裂為主的橡膠老化後變軟發粘;以交聯為主的橡膠。

老化後變硬發脆,兩者均會使橡膠機械性能下降或喪失,失去利用價值。矽橡膠硫化膠在空氣熱老化時發生交聯,這時扯斷伸長率降低的程度比拉伸強度的降低大得多。以甲基乙烯基矽橡膠為基礎的硫化膠,350℃,下老化初期交聯程度有所降低,300℃時無變化,250℃時增加,繼續老化時交聯程度的增加則與溫度無關。

矽橡膠在使用過程中受到熱、氧氣等的作用,出現了表麵變色、硬化變脆現象,同時矽橡膠的物理機械性能逐漸降低,最終失去使用價值。矽橡膠在高溫下的熱老化性能與其組成和環境條件密切相關,通常矽橡膠在高溫下發生主鏈降解反應和側基氧化反應。

研究發現,矽橡膠的高溫降解產物主要是一些環狀低聚物,如六甲基環三矽氧烷、八甲基環四矽氧烷和十甲基環五矽氧烷,還有少量的直鏈低聚物及甲烷、苯等。Radhakrishnan發現端基為矽羥基的甲基矽橡膠主要采用解扣降解方式,同時也有無規斷裂降解方式存在,並且無規斷裂降解方式所占的比例隨著溫度的升高而增加;端基為乙烯基的甲基矽橡膠既可按無規斷裂方式降解,也可按由殘餘催化劑參與的解扣方式降解。隨著溫度的進一步升高,尤其是高於750℃時,SiC斷裂生成了甲烷。

在無氧、高溫密閉條件下,矽橡膠主要發生主鏈斷裂反應,生成環狀矽氧烷,導致矽橡膠軟化;在有氧、高溫開放環境下,矽橡膠主要發生側基氧化反應,導致矽橡膠交聯硬化。

 

影響矽橡膠老化的因素和機理

矽橡膠的分子鏈結構和組成是決定耐熱性能高低的主要因素。隻含Si0原子的矽橡膠主鏈,由於其柔性大,易卷曲,某些微量不純物(如水、矽羥基或殘存催化劑)能迅速引發主鏈降解。降解的難易程度不僅取決於矽橡膠本身的結構,還取決於不純物的性質和含量。SiO鍵的高極性也決定了它易受極性的攻擊而迅速引起主鏈的熱重排降解。除了上述主鏈的熱重排降解外,還有側基的氧化,使反應更加複雜。

 

提高矽橡膠耐熱性的方法

1.改變主鏈結構和側基結構;

2.消除矽羥基;

3.添加表麵處理改性填料;

4.加入耐熱添加劑;

5.加入少量矽樹脂;

6.改變矽橡膠的硫化交聯體係;

7.製品使用環境,盡量少接觸水、酸堿、氧、臭氧等介質。

 

如何在保障矽膠耐高溫性能的基礎上仍可獲得較好的物性, MSK市場上也有不錯的表現,以下為MSK耐高溫膠數據,可供參考:


項目

MD2920H

MD2930H

MD2940H

MD2950H

MD2960H

MD2970H

MD2980H

外觀

透明

可塑度

120

140

150

180

210

270

310

硬度,Shore A

20

30

40

50

60

70

80

比重,g/cm3

1.06

1.08

1.12

1.15

1.19

1.22

1.24

撕裂強度,kN/m

11.5

15

17

22

24

23

16

拉伸強度,MPa

5

7

8

8.5

8

7.8

7

伸長率,%

650

550

450

400

340

250

150

收縮率,%

3.7

3.6

3.3

3.1

2.9

2.8

2.7

250°C熱老化72小時後物性變化

硬度,Shore A

26

35

44

54

63

73

82

拉伸強度,MPa

4.1

5.7

6.5

6.8

6.6

6.4

5.6

伸長率,%

520

440

360

320

272

200

120

300°C熱老化72小時後物性變化

硬度,Shore A

32

40

47

63

70

77

85

拉伸強度,MPa

3.2

4.5

5.2

5.3

5

4.7

4.2

伸長率,%

420

360

280

264

221

165

101

 

熱銷產品

中拉型氣相矽橡膠是矽膠產品一種常見性能矽膠製品,信越CHN-6000-U係列替代料(等同品)

中拉型氣相矽橡膠是矽膠產品一種常見性能矽膠製品,信越CHN-6000-U係列替代料(等同品)

中拉型氣相矽橡膠是矽膠產品一種常見性能矽膠製品,信越CHN-6000-U係列替代料(等同品)

MD5151是一種長壽命周期的矽橡膠,在固化狀態下硬度為50(邵氏A),可用於製造具有優異抗疲勞性的矽橡膠產品。

具有比一般膠更好的透明度可達到液體膠透明度高抗撕的固態膠。

沉澱矽橡膠是矽膠產品一種常見性能矽膠產品,信越KE-900-U係列替代料(等同品)