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62 材料工程/2011年8期 超临界二氧化碳发泡热硫化硅 橡胶的研究 StudyonHighTemperatureVulcanisingSilicone RubberFoamedbySupercritica1CarbonDioxide 冯培杰,宋丽贤,卢忠远,芦艾。 —— (1西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室 省部共建国家重点实验室培育基地,四川绵阳621010; 2中国工程物理研究院化工材料研究所,四川绵阳621900) — — — FENGPeijie,S0NGLixian,LUZhongyuan,LUAi (1StateKeyLaboratoryCuhivationBaseforNonmetalCompositesand FunctionalMaterials,SouthwestUniversityofScienceandTechnology, Mianyang621010,Sichuan,China;2InstituteofChemicalMaterials,China AcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,Sichuan,China) “ ” 摘要:对超临界二氧化碳制备硅橡胶泡沫材料的可行性进行了研究。采用预硫化一发泡一完全硫化工艺,研究了发 泡温度、压力、溶胀时间、卸压时间等对硅橡胶泡沫的密度和泡孔结构的影响,通过扫描电子显微镜(SEM)对泡孔结构进 行了分析。结果表明:利用超临界二氧化碳发泡热硫化硅橡胶,得到了泡孔孔径小(<100#m)、泡孔均匀、泡孔结构可控 的硅橡胶泡沫材料。 关键词:硅橡胶;超临界二氧化碳;发泡;密度;泡孔结构 中图分类号:0634.41 文献标识码:A — 文章编号:1001-4381(2011)08~006206 — Abstract:Thefeasibilityofsiliconerubberfoampreparedbysupercriticalcarbondioxidewasinvesti “—— ” gated.Adoptingtheprecuredfoamedfullycuredprocess,theeffectofthefoamingtemperature, pressure,swellingtimeanddepressurizationtimeonthedensityandfoamstructureofsiliconerubber — foamwasstudied.Thefoamstructurewasanalyzedbyscanningelectronmicroscopy(SEM).There suhsshowedthatthesiliconerubberfoamwithsmallporesize(<100um),uniformandcontrollable foamstructurewasformedbyuseofsupercriticalcarbondioxide. Keywords:siliconerubber;supercriticalcarbondioxide;foaming;density;foamstructure 硅橡胶泡沫材料是硅橡胶经过发泡后制备的多孑L 性高分子弹性材料,它将硅橡胶与泡沫材料的特性结 合于一体,不但具有硅橡胶的优良特性,还具有较低的 密度、良好的吸收机械振动和冲击的物理特性以及隔 音、隔热、密封等功能,可用作密封、减震、绝缘、隔音、 隔热等高性能材料,在交通运输、石油、化工、电子工业 和航空航天等领域有广泛的用途]。同时,具有优良 的耐高低温、耐老化特性及压缩应力一应变性能的硅橡 胶泡沫材料在军事武器装备中也具有重要的应用。 硅橡胶通常采用化学方法进行发泡,此方法虽然 降低了材料的密度,但是获得的泡孔孔径较大,泡孔的 分布和大小受发泡剂在橡胶中的分散程度的影响很 大,并且发泡剂分解后的固体产物会残留在橡胶中,影 响橡胶的使用性能。此外,使用的化学发泡剂大多是 有机发泡剂,会对环境造成污染。随着对环境保护、产 品回收利用和制品性能价格比等要求的提高,以co。, N。,丁烷等物理发泡剂为主的物理发泡方法得到广泛 重视,其中,超临界二氧化碳技术被广泛地应用于热塑 性塑料和热塑性弹性体的微孔发泡中【2,得到了大 小可控的微孔发泡材料。由于这种材料泡孔孔径小、 泡孔密度大,有利于阻止裂纹在应力作用下的扩展,从 而改善了材料的力学性能,使其具有良好的物理机械 性能。此外,作为发泡剂的二氧化碳是环境友好型发 泡剂,不会对环境造成污染。 热硫化硅橡胶是高弹性材料,存在硫化过程与超 临界二氧化碳发泡过程相匹配的问题。因此,如何将 超临界二氧化碳发泡热硫化硅橡胶的研究 63 —— 超临界二氧化碳技术应用到交联弹性体硅橡胶的 发泡中是研究的技术难点,相关的研究还处于探索阶 段,将这种方法应用于制备热硫化硅橡胶泡沫材料的 文献报道较少。本工作采用超临界二氧化碳技术发泡 “ ” 热硫化硅橡胶,拟通过预硫化一发泡一完全硫化的 方式解决硫化与发泡过程相匹配的问题,以期制备泡 孔细小均匀、形态可控的热硫化硅橡胶泡沫材料。 1实验 1.1主要原材料 甲基乙烯基硅橡胶,型号11O一2,南京东爵有机硅 集团有限公司;气相法白炭黑,型号R812S,德国德固 — 赛公司;沉淀法白炭黑,型号T365,吉林通化双龙化 ≥ 工有限公司;二氧化碳气体,纯度99,绵阳昌俊气 体有限公司。 1.2实验装置及仪器 超临界二氧化碳发泡装置,定制,如图1所示;密 炼机,型号Haakerheomix600p;平板硫化机,型号— YZ3210O 图1超临界二氧化碳发泡装置 1.3试样制备与发泡 — 将1102型甲基乙烯基硅橡胶50g,白炭黑20g, 羟基硅油2g依次加入密炼机中,密炼室温度为℃ 105,混炼30min,出料,制得混炼胶料;将混炼胶料 ℃ 在真空烘箱中真空热处理2h,温度为150;待胶料冷 却后,再于密炼机中室温返炼5min,然后加入过氧化 二异丙苯(DicumylPeroxide,DCP)硫化膏混炼 10min,制得混炼胶;将制得的混炼胶在平板硫化机上 预硫化定型,得到厚度为2mm的胶片。 将胶片置于超临界二氧化碳发泡装置的高压釜 内,先充人低压二氧化碳将釜内空气置换干净,再充入 高压二氧化碳,在一定温度和压力下溶胀和渗透一定 ℃ 时间,然后卸压至表压为0;将发泡样品放人170鼓 ℃ 风烘箱内完全硫化30min,然后将温度升至210,热 处理3h。 1.4测试分析 密度测试:试样尺寸为30mm× 30mm,未除去表 皮。按照GB/T63421996,用分析天平(精确到 0.001g)称量试样的质量,用游标卡尺测其长、宽和厚 度(精确到0.2mm)。 扫描电子显微镜(SEM)分析:将发泡试样的断面 进行喷金处理后,采用¥440型立体扫描电子显微镜观 察其微观形态。 2结果与讨论 2.1不同发泡条件对硅橡胶泡沫密度的影响 表1为在不同发泡温度、压力、溶胀时间和卸压时 间下,硅橡胶发泡后的密度和硅橡胶泡沫完全硫化后 的密度。可以看出,随着温度的升高,发泡样品的密度 ℃ 增加。温度为4O时,发泡样品的密度最低,当发泡 ℃ 温度为100时,发泡样品的密度与实心胶相当,硅橡 胶基本未发泡;随着压力的增大,发泡样品的密度也增 大,当压力为25MPa时,样品基本未发泡;溶胀时间对 发泡样品密度的影响较复杂,当溶胀时间为0.1h时, 发泡样品的密度最小;随着卸压时间的增加,发泡样品 的密度出现先减小后增大的趋势。从表1中数据还可 以看出,所有发泡样品完全硫化后的密度比发泡后的 密度均有所增加,这可能是由于在硫化过程中,分子间 的交联减少了分子间的自由体积,并且交联使分子之 间生成的气泡合并、逸出,从而使发泡样品的体积收 缩,而气体逸出和热处理过程中小分子挥发的量很少, 对密度的影响没有体积收缩的显著,所以发泡样品的 密度在完全硫化后均出现小幅下降。 2.2温度对泡孔结构的影响 在压力为10MPa、溶胀时间为3h、卸压时间<2s 的条件下,考察了不同发泡温度对硅橡胶泡孔结构的 ℃ ℃ 影响。图2是温度为40,60和80时超临界二氧化 碳发泡硅橡胶的扫描电镜图,可以看出,泡孔呈现类球 形不连续分布,主要为闭孔结构,并存在少量开孔,泡 孔尺寸分布较均匀,平均泡孔孔径为85m,泡孑L密度 随着发泡温度的升高而减小。 出现上述现象的原因可能是由于在超临界二氧化 碳溶胀渗透硅橡胶的过程中,硅橡胶会发生不同程度 的交联,温度越高,交联程度越大,硅橡胶的弹性就越 大,发泡时,生成的气泡受到弹性回复力的作用越大, 导致气体逸出,发泡倍率降低。此外,硅橡胶交联度越 大,分子问的自由体积减小,气体进人硅橡胶中的浓度 超临界二氧化碳发泡热硫化硅橡胶的研究 67 [1] [2] [3] E4] [5] [6] [7] E8] [9] 参考文献 周宁琳.有机硅聚合物导论[M].北京:科学出版社,2000. 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