CN102010517A

CN102010517A - 一种超临界二氧化碳技术制备硅橡胶泡沫材料的方法

Info

Publication number: CN102010517A
Application number: CN 201010509638
Authority: CN
Inventors: 宋丽贤; 卢忠远; 冯培杰; 芦艾; 康明; 宋开平
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2011-04-13

Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳技术制备硅橡胶泡沫材料的方法，属于高分子材料加工领域，包括如下步骤：将硅橡胶100份、填充剂20～80份、结构控制剂2～15份、硫化剂0.1～10份在橡胶密炼机中混炼制得混炼胶，在平板硫化机中预硫化定型；然后将胶片置于超临界二氧化碳流体中，在一定温度和压力下溶胀和渗透一定时间，然后快速卸压并冷却，得到发泡样品；最后将发泡样品在烘箱中进行完全硫化和热处理，得到硅橡胶泡沫材料。本发明以硅橡胶为原料，采用超临界二氧化碳技术，通过改变发泡工艺条件，得到孔径小、孔密度大、泡孔结构可控的硅橡胶泡沫材料，同时二氧化碳是环境友好型发泡剂，实现了绿色环保发泡，减少了环境污染。

Description

一种超临界二氧化碳技术制备硅橡胶泡沫材料的方法

技术领域

本发明属于高分子材料加工领域，特别涉及到一种超临界二氧化碳技术制备硅橡胶泡沫材料的方法。

背景技术

硅橡胶泡沫材料是硅橡胶经过发泡后制备的多孔性高分子弹性材料，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。

传统的制备硅橡胶泡沫材料的方法有两种，即化学发泡和物理发泡。化学发泡是将化学发泡剂均匀地分散在硅橡胶中，在一定的加工温度下，化学发泡剂分解产生气体使硅橡胶发泡。此方法虽然降低了材料的密度，但是获得的泡孔直径较大(可达几百微米)，泡孔大小、泡孔结构、密度均匀性难以控制，降低了材料的力学性能，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。物理发泡是将填充有成孔剂的胶料硫化定型后，用溶剂将成孔剂溶析出来，得到开孔型泡沫材料。同样，泡沫材料存在孔径大、泡孔分布不均，泡孔结构不易控制等缺点，且成孔剂会部分残留在橡胶中，影响橡胶的力学性能和使用性能。

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CO₂、N₂、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，如聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)等，得到的是一种泡孔孔径在0.1～10μm，泡孔密度在10⁹～10¹⁵个/cm³之间的新型泡沫材料。美国专利US005158986A提供了一种超临界流体发泡制备微孔热塑性塑料的方法，得到泡孔孔径小于2μm，泡孔密度为10⁹～10¹⁵个/cm³的泡沫材料；中国专利CN200410067058.4提供了一种超临界二氧化碳发泡通用型聚丙烯树脂的方法，得到泡孔均匀，大小可控的闭孔微孔发泡聚丙烯材料。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。

由于橡胶是高弹性材料，直接使用现有的塑料超临界发泡技术会因泡孔塌陷而导致发泡失败。因此，如何将超临界二氧化碳技术应用到交联弹性体——硅橡胶发泡中成为当前研究的技术难点。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是公开一种超临界二氧化碳技术制备硅橡胶泡沫材料的方法，以克服现有技术存在的缺陷，满足有关领域发展的需要。

本发明的技术构思如下：先将硅橡胶混炼胶在平板硫化机中预硫化，形成可以稳定泡孔壁结构的交联密度，再利用超临界二氧化碳在一定温度和压力下，对硅橡胶进行溶胀和渗透，使得超临界二氧化碳能够在硅橡胶中大量溶解，保持一定时间后，通过快速卸压使得硅橡胶中的超临界二氧化碳过饱和，从而成核发泡，得到硅橡胶泡沫材料。

本发明的方法包括如下步骤：将硅橡胶100份、填充剂20～80份、结构控制剂2～15份、硫化剂0.1～10份在橡胶密炼机中混炼制得混炼胶，在平板硫化机中预硫化定型；然后将胶片置于超临界二氧化碳流体中，在一定温度和压力下溶胀和渗透一定时间，然后快速卸压并冷却，得到发泡样品；最后将发泡样品在烘箱中进行完全硫化和热处理，得到硅橡胶泡沫材料。

本发明优选的溶胀和渗透温度为35～110℃、溶胀和渗透压力为8～40MPa、溶胀和渗透时间为0.1～6小时、卸压速率为10～30MPa/s。

硅橡胶为二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶中的任意一种。

填充剂为沉淀法白炭黑、气相法白炭黑中的任意一种。

结构控制剂为羟基硅油、二苯基硅二醇、八甲基环四硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、六甲基二硅氮烷、叠氮硅烷或硅烷偶联剂中的任意一种。

硫化剂为过氧化二异丙苯(DCP)、2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧基己烷(DBPMH)、过氧化二苯甲酰(BPO)中的任意一种。

本发明所述及的超临界状态的二氧化碳流体指的是，二氧化碳的温度大于31.1℃，压力高于7.4MPa。

本发明所说的快速卸压指的是将处于超临界状态的高压二氧化碳流体通过减压装置如减压控制阀瞬间急速的降压。

本发明的优点在于：通过适宜的硫化使硅橡胶材料形成可以稳定泡孔壁结构的交联密度，然后使用超临界二氧化碳技术对其进行发泡，得到泡孔孔径小、泡孔密度大且泡孔分布均匀的硅橡胶泡沫材料。

附图说明

图1为实施例1的样品切片的扫描电镜图

图2为实施例2的样品切片的扫描电镜图

图3为实施例3的样品切片的扫描电镜图

图4为实施例4的样品切片的扫描电镜图

具体实施方式

分析测试方法如下：

扫描电镜分析

采用扫描电子显微镜(SEM)对发泡聚合物材料样品的切面进行分析，以考察发泡聚合物材料的孔密度和孔径大小。分析仪器为Leica公司S440型扫描电镜。图1至图4分别为硅橡胶发泡材料样品切面的扫描电镜图，图中已标有放大倍数及尺寸。由SEM照片可分析发泡材料平均孔径和泡孔密度。从SEM照片中统计微孔个数n(＞100)，确定照片面积A(cm²)以及放大倍数M。其中孔密度采用文献V.Kumar，N.P.Suh.A Process for Making Microcellular Thermoplastic Parts.Polym.Eng.Sci.，30，1323-1329(1990)公开的KUMAR方法估算：

面密度：

\frac{n}{A / M^{2}}

由于颗粒近似为球型，因此可假设泡孔各向同性生长，则单位体积孔密度为：

N_{f} = {(\frac{n}{A / M^{2}})}^{3 / 2}

以下实施例解释本发明，但不限制本发明的范围。

实施例1

将二甲基硅橡胶50g，气相法白炭黑10g，二苯基硅二醇1g依次加入橡胶密炼机中，密炼室温度控制为105℃，混炼30分钟，出料，制得混炼胶料；将混炼胶料在真空烘箱中真空热处理2小时，温度为150℃；待胶料冷却后，再于密炼机中室温返炼5分钟，然后加入BPO硫化膏1g混炼10分钟，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1mm的胶片；将胶片置于高压釜内，先充入低压二氧化碳将釜中空气置换干净，再充入高压二氧化碳，升高高压釜温度至80℃，压力控制为30MPa，溶胀渗透6小时；然后快速卸压至表压为0，卸压速率控制为10MPa/s。将发泡样品放入170℃鼓风烘箱内完全硫化，时间控制为30分钟，然后将温度升至210℃，热处理3小时。取出样品，对其切面进行扫描电镜分析。如图1所示硅橡胶泡沫材料的孔径为20～110μm，孔密度为4.5×10⁶个/cm³。

实施例2

将甲基苯基乙烯基硅橡胶50g，气相法白炭黑20g，八甲基环四硅氧烷3g依次加入橡胶密炼机中，密炼室温度控制为105℃，混炼30分钟，出料，制得混炼胶料；将混炼胶料在真空烘箱中真空热处理2小时，温度为150℃；待胶料冷却后，再于密炼机中室温返炼5分钟，然后加入DBPMH硫化膏2g混炼10分钟，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；将胶片置于高压釜内，先充入低压二氧化碳将釜中空气置换干净，再充入高压二氧化碳，升高高压釜温度至110℃，压力控制为20MPa，溶胀渗透3小时；然后快速卸压至表压为0，卸压速率控制为20MPa/s。将发泡样品放入170℃鼓风烘箱内完全硫化，时间控制为30分钟，然后将温度升至210℃，热处理3小时。取出样品，对其切面进行扫描电镜分析。如图2所示硅橡胶泡沫材料的孔径为15～120μm，孔密度为3.7×10⁷个/cm³。

实施例3

将甲基乙烯基硅橡胶50g，气相法白炭黑30g，羟基硅油6g依次加入橡胶密炼机中，密炼室温度控制为105℃，混炼30分钟，出料，制得混炼胶料；将混炼胶料在真空烘箱中真空热处理2小时，温度为150℃；待胶料冷却后，再于密炼机中室温返炼5分钟，然后加入DCP硫化膏3g混炼10分钟，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1mm的胶片；将胶片置于高压釜内，先充入低压二氧化碳将釜中空气置换干净，再充入高压二氧化碳，升高高压釜温度至60℃，压力控制为10MPa，溶胀渗透1小时；然后快速卸压至表压为0，卸压速率控制为30MPa/s。将发泡样品放入170℃鼓风烘箱内完全硫化，时间控制为30分钟，然后将温度升至210℃，热处理3小时。取出样品，对其切面进行扫描电镜分析。如图3所示硅橡胶泡沫材料的孔径为20～80μm，孔密度为3.3×10⁸个/cm³。

实施例4

将甲基乙烯基硅橡胶50g，沉淀法白炭黑40g，羟基硅油7.5g依次加入橡胶密炼机中，密炼室温度控制为105℃，混炼30分钟，出料，制得混炼胶料；将混炼胶料在真空烘箱中真空热处理2小时，温度为150℃；待胶料冷却后，再于密炼机中室温返炼5分钟，然后加入DCP硫化膏5g混炼10分钟，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1mm的胶片；将胶片置于高压釜内，先充入低压二氧化碳将釜中空气置换干净，再充入高压二氧化碳，升高高压釜温度至40℃，压力控制为10MPa，溶胀渗透5分钟；然后快速卸压至表压为0，卸压速率控制为30MPa/s。将发泡样品放入170℃鼓风烘箱内完全硫化，时间控制为30分钟，然后将温度升至210℃，热处理3小时。取出样品，对其切面进行扫描电镜分析。如图4所示硅橡胶泡沫材料的孔径为5～35μm，孔密度为6.3×10⁸个/cm³。

Claims

1.一种超临界二氧化碳技术制备硅橡胶泡沫材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：将硅橡胶100份、填充剂20～80份、结构控制剂2～15份、硫化剂0.1～10份在橡胶密炼机中混炼制得混炼胶，在平板硫化机中预硫化定型；然后将胶片置于超临界二氧化碳流体中，在一定温度和压力下溶胀和渗透一定时间，然后快速卸压并冷却，得到发泡样品；最后将发泡样品在烘箱中进行完全硫化和热处理，得到硅橡胶泡沫材料。

2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳技术制备硅橡胶泡沫材料的方法，其特征在于：溶胀和渗透温度为35～110℃、溶胀和渗透压力为8～40MPa、溶胀和渗透时间为0.1～6小时、卸压速率为10～30MPa/s。

3.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳技术制备硅橡胶泡沫材料的方法，其特征在于：硅橡胶为二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳技术制备硅橡胶泡沫材料的方法，其特征在于：填充剂为沉淀法白炭黑、气相法白炭黑中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳技术制备硅橡胶泡沫材料的方法，其特征在于：结构控制剂为羟基硅油、二苯基硅二醇、八甲基环四硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、六甲基二硅氮烷、叠氮硅烷或硅烷偶联剂中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳技术制备硅橡胶泡沫材料的方法，其特征在于：硫化剂为过氧化二异丙苯(DCP)、2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧基己烷(DBPMH)、过氧化二苯甲酰(BPO)中的任意一种。