CN104497579A - 一种单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶及其制备方法，单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶原料包括如下组分：端羟基硅橡胶：50～150份；烷氧基封端马来海松酸改性聚硅氧烷树脂：50～150份；填料：10～20份；交联剂：2～10份；催化剂：0.1～0.5份；上述份数为质量份数。本发明单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶克服了现有技术中增硅橡胶与金属和塑料等基材附着力差的缺点，有着突出的力学性能，而且采用绿色可再生的天然松香的衍生物马来海松酸为原料，具有重要的环保价值和极为广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶及其制备方法。
背景技术
单组份室温硫化硅橡胶RTV-1具有优异的耐化学腐蚀、耐高低温、耐候、耐湿和透气等性能，并且使用方便，无需高温固化，因而广泛应用于耐高温元件的密封和粘接，成为有机硅工业中的重要产品。然而，受有机硅材料的固有特性限制，有机硅RTV-1的内聚强度低，与塑料和金属等基材的粘附力弱，这些缺点都极大限制了有机硅RTV产品的应用。
为解决上述问题，通常采用添加增黏剂的方法，但目前所采用的粘结剂均为含有强极性基团的增黏剂，均为石油基的化合物，均来源于石油化工，为不可再生资源。随着石油资源的日益枯竭和环保要求逐步提高，采用可再生的天然资源解决目前有机硅RTV的增粘问题，具有极为重要的开发价值。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶及其制备方法，克服了现有技术中单组份室温硫化硅橡胶与基材粘附力弱、力学性能差、原料不可再生等缺陷。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶，其原料包括如下组分：
端羟基硅橡胶：50～150份；
烷氧基封端马来海松酸改性聚硅氧烷树脂：50～150份；
填料：10～20份；
交联剂：2～10份；
催化剂：0.1～0.5份；
上述份数为质量份数。
上述单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶力学性能优异，与塑料和金属等基材有着很强的粘附力，且烷氧基封端马来海松酸改性聚硅氧烷树脂为可再生原料，符合可持续发展要求。
本发明所述的填料用量过大会导致橡胶加工困难，过低则硫化后硅橡胶力学强度过低。
交联剂用量过高或过低都会导致橡胶产品硫化不完全，从而影响产品的使用性能。
催化剂用量过高或过低均会导致橡胶产品硫化过快或过低，从而影响产品的使用性能。
上述烷氧基封端马来海松酸改性聚硅氧烷树脂的结构为：
其中，
R1为甲氧基或乙氧基；
R2和R3为碳数1～3的直链烃基；
a的取值为0，1或2；
m和n的取值范围均为，且同时满足：0.5≧n/(m+n)≧0.02；
X为碳数为2～10的亚烷基，即-CbH2b-1-，10≧b≧2。
这样能进一步保证有机硅橡胶的粘附性能和力学性能。
上述m和n均可取1～100范围内的任意数，例如，可以为小数或整数，优选，m的取值范围为1-10，n的取值范围为0.1-1；更优选，m的取值范围为4-7，n的取值范围为0.5-0.5。
当n/(m+n)的值过高时，会造成物料粘度过大，混合困难；当n/(m+n)的值过低时，不能达到预期的效果。
所述端羟基硅橡胶的粘度范围为10～100Pa·S。这样能进一步保证有机硅橡胶的粘附性能和力学性能。
所述的填料为气相法或沉淀法白炭黑、或经过三甲基硅表面处理的气相法白炭黑。这样能进一步促进填料与其它各组分之间的协同效应，且不会对橡胶力学性能造成影响。
本申请优选采用经过三甲基硅表面处理的气相法白炭黑，因为其不仅具有较好的补强效果，而且不会导致硅橡胶配方组份粘度急剧升高而造成加工困难。
交联剂为脱醇型交联剂、脱肟型交联剂或脱丙酮型交联剂中一种或两种以上任意配比的混合物。这样能进一步保证所得橡胶的力学性能。
脱醇型交联剂为甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、正硅酸甲酯、正硅酸乙酯或正硅酸丙酯中的一种或两种以上任意配比的混合物；
脱肟型交联剂为甲基三丁酮肟基硅烷、乙烯基三丁酮肟基硅烷或苯基三丁酮肟基硅烷中的一种或两种以上任意配比的混合物；
脱丙酮型交联剂为甲基三异丙烯氧基硅烷、乙烯基三异丙烯氧基硅烷或苯基三异丙烯氧基硅烷中的任意一种或两种及以上任意配比的混合物。这样能进一步促进各组分之间的协同效应。
催化剂为有机锡类催化剂或有机钛类催化剂。这样能进一步保证所得橡胶的粘附性能和力学性能。
有机锡类催化剂为二丁基二月桂酸锡、二丁基二醋酸锡、辛酸锡或异辛酸亚锡中一种或两种及以上任意配比的混合物；
有机钛类催化剂钛酸异丙酯、钛酸正丁酯或乙酰乙酸乙酯钛熬合物中一种或两种及以上任意配比的混合物。这样能更进一步保证所得橡胶的粘附性能和力学性能。
上述单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶，所用烷氧基封端马来海松酸改性聚硅氧烷树脂的制备方法，包括顺序相接的如下步骤：
步骤1：将八甲基环四硅氧烷D4100份、含有伯胺基-NH2的烷氧基硅烷偶联剂水解物1～200份、封端剂烷氧基硅烷2～100份和四甲基氢氧化铵混合，于100±5℃下搅拌保温反应4±0.2小时，其中，四甲基氢氧化铵的质量占反应物总质量0.1％，所述份数为质量份数；
步骤2：在步骤1所得产物的物料中加入马来海松酸粉末，并在4±0.2小时内逐渐升温至150±5℃，反应结束，其中，马来海松酸与含有伯胺基-NH2的烷氧基硅烷偶联剂水解物摩尔用量相等；
步骤3：步骤2反应结束后，将反应体系逐渐升温至180±5℃，真空脱低沸物2±0.2小时，即得状态为浅棕色均相透明粘稠液体的烷氧基封端马来海松酸改性聚硅氧烷树脂。
上述步骤1中四甲基氢氧化铵的质量占反应物总质量的0.1％，中反应物总质量指步骤1中反应物的总质量。
优选，步骤1中，含有伯胺基-NH2的烷氧基硅烷偶联剂水解物质量份数为5-15份、封端剂烷氧基硅的的质量份数为10-20份。
马来海松酸是天然松香和马来酸酐的Diels–Alder加成产物。天然松香，属于可再生资源，来源丰富且价格低廉，具有防腐、防潮、绝缘、粘合等优点，广泛应用于造纸、油墨和橡胶等领域。利用马来海松酸改善现有有机硅RTV产品的粘附力，对于减缓能源危机和环境保护具有极为重要的现实意义。然而，因为马来海松酸不能与有机硅相溶，至今尚未有报道将它应用于有机硅类胶粘剂的增粘，本申请则通过上述手段将马来海松酸成功应用到单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶中。
所述含有伯胺基-NH2的烷氧基硅烷偶联剂水解物，可以通过工业中易得的氨基硅烷偶联剂水解和干燥而成，具有如下结构：
其中，
X可以是-CbH2b-1-，10≧b≧2。
所述工业中易得的氨基硅烷偶联剂，可以选取γ-氨基丙基甲基二乙氧基硅烷。
所述烷氧基硅烷的官能度至少为2，可以选取二甲基二甲氧基硅烷，甲基三甲氧基硅烷等多官能度烷氧基硅烷。
以二甲基二甲氧基硅烷为原料，甲氧基封端马来海松酸改性聚甲基硅氧烷树脂的制备方法如下图所示：
上述单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶的制备方法，包括顺序相接的如下步骤：
A、将端羟基硅橡胶、烷氧基封端马来海松酸改性聚硅氧烷树脂和填料加入真空行星搅拌机中进行在50～100℃的温度范围内脱水共混1～4小时；
B、共混结束后，冷却至室温，加入交联剂和催化剂，搅拌混合；
C、在氮气保护下进行分装，即得。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶克服了现有技术中增硅橡胶与金属和塑料等基材附着力差的缺点，有着突出的力学性能，而且采用绿色可再生的天然松香的衍生物马来海松酸为原料，具有重要的环保价值和极为广阔的应用前景；且制备简单、环保。
附图说明
图1为实施例1所得甲氧基封端马来海松酸改性聚甲基硅氧烷树脂的氢谱图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
甲氧基封端马来海松酸改性聚甲基硅氧烷树脂(MO-MPA-PDMS)，其中m＝5.8，n＝0.33的制备：
将1000g胺丙基甲基二乙氧基硅烷加入反应釜，缓慢加入等体积的水，搅拌反应2小时；升温并保持反应体积呈回流状态；2小时后，对反应体系进行负压脱低沸处理，得到600g无色透明液体γ-氨基丙基甲基二乙氧基硅烷的水解物HAPMS，其结构如下图所示：
在反应釜中加入200g八甲基环四硅氧烷、18g HAPMS、28g二甲基二甲氧基硅烷和四甲基氢氧化铵粉末(四甲基氢氧化铵质量占总反应物质量的0.1％)加入四口烧瓶，于100℃下搅拌保温反应4小时；加入39g马来海松酸粉末，并在4小时内逐渐升温至150℃，反应结束；反应结束后，将反应体系逐渐升温至180℃，真空脱低沸2小时，最终得到浅棕色均相透明粘稠液体240g，在氮气保护下收集产物，备用。所得产物MO-MPA-PDMS的1HNMR谱图如下图1所示：
由图1可知，除了普通有机硅树脂的Si-CH3(0.5～3.0ppm)的化学位移峰之外，甲氧基封端马来海松酸改性聚甲基硅氧烷树脂(MO-MPA-PDMS)还出现如下特征化学位移峰：
在5.4ppm附近出现了马海松酸结构中CH＝C上的质子吸收峰；
马来海松酸的其它质子的吸收峰和Si-CH2-CH2-上质子的吸收峰连续杂乱出现0.5～3.0ppm范围内；
在3.5ppm出现了与甲氧基上质子O-CH3的吸收峰。
实施例2
将150份粘度为50Pa·S的端羟基甲基硅橡胶(107硅橡胶，济南万承化工产品有限公司)、50份实施例1中所得改性树脂MO-MPA-PDMS和10份疏水性气相法R974，加入真空行星搅拌机中，在80℃下进行脱水共混2小时；共混结束后，冷却至室温，加入6份甲基三甲氧基硅烷和0.3份二月桂酸二丁基锡，搅拌混合；在氮气保护下进行分装。
实施例3
按照实施例2所示的方法和步骤，区别为将配方中的端羟基甲基硅橡胶和改性树脂MO-MPA-PDMS的质量分别更换为120份和80份。
实施例4
按照实施例2所示的方法和步骤，区别为将配方中的端羟基甲基硅橡胶和改性树脂MO-MPA-PDMS的质量分别更换为100份和100份。
实施例5
按照实施例2所示的方法和步骤，区别为将配方中的端羟基甲基硅橡胶和改性树脂MO-MPA-PDMS的质量分别更换为50份和150份。
实施例6
按照实施例3所示的方法和步骤，区别为将配方中的甲基三甲氧基硅烷更换为甲基三丁酮肟基硅烷。
实施例7
按照实施例3所示的方法和步骤，区别为将配方中的甲基三甲氧基硅烷更换为乙烯基三异丙烯氧基硅烷，将二月桂酸二丁基锡更换为钛酸正丁酯。
对比例1
按照实施例2所示的方法和步骤，区别为将配方中的端羟基甲基硅橡胶和改性树脂MO-MPA-PDMS的质量分别更换为200份和0份。
对比例2
在反应釜中加入100g八甲基环四硅氧烷、20g四甲基四乙烯基环四硅氧烷、34g胺丙基甲基二乙氧基硅烷、10g六甲基二硅氧烷和0.2g氢氧化钾，于100℃下搅拌反应8小时，然后逐渐升温至180℃，抽真空脱除低沸物；降温至120℃加入72g马来海松酸(纯度为98％)，搅拌反应4小时后升温至180℃抽真空脱除低沸物；在氮气保护下趁热收集马来海松酸改性有机硅树脂MP-VMS。
按照实施例4所示的方法和步骤，区别为将配方中的MO-MPA-PDMS更换为上述树脂MP-VMS。
性能测试
力学性能表征：按照国标GBT 528-2009和GBT531.1-2008所示的原理和方法，在25℃和相对湿度50％的条件下硫化20天后，在恒温恒湿的检测室中进行力学性能测试。
剥离强度：按照国标GB-T2790-1995所示的原理和方法，在25℃和相对湿度50％的条件下硫化20天后，在恒温恒湿的检测室中进行力学性能测试，观察粘接破坏状态。
上述各性能测试结果见下表1。
表1-1
表1-2
由上表1可知，随着甲氧基封端马来海松酸改性聚甲基硅氧烷树脂MO-MPA-PDMS用量的提高，室温硫化有机硅橡胶的剥离强度和内聚破坏率显著提高，硬度和拉伸强度略有提高，断裂伸长率显著提高。申请人经研究发现这主要是由于有机硅分子侧链中引入了马来海松酸和酰亚胺分子结构，硅橡胶分子的内聚能和极性得到显著的提高，分子间作用力显著提高，最终导致硫化硅橡胶与金属和塑料等基材的界面粘附力提高，力学性能(尤其是断裂伸长率)也有提高。
Claims (10)
1.一种单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶，其特征在于：其原料包括如下组分：
端羟基硅橡胶：50～150份；
烷氧基封端马来海松酸改性聚硅氧烷树脂：50～150份；
填料：10～20份；
交联剂：2～10份；
催化剂：0.1～0.5份；
上述份数为质量份数。
2.如权利要求1所述的单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶，其特征在于：烷氧基封端马来海松酸改性聚硅氧烷树脂的结构为：
其中，
R1为甲氧基或乙氧基；
R2和R3为碳数1～3的直链烃基；
a的取值为0，1或2；
m和n的取值范围均为1～100，且同时满足：0.5≧n/(m+n)≧0.02；
X为碳数为2～10的亚烷基，即-CbH2b-1-，10≧b≧2。
3.如权利要求1或2所述的单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶，其特征在于：所述端羟基硅橡胶的粘度范围为10～100Pa·S。
4.如权利要求1或2所述的单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶，其特征在于：所述的填料为气相法或沉淀法白炭黑、或经过三甲基硅表面处理的气相法白炭黑。
5.如权利要求1或2所述的单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶，其特征在于：交联剂为脱醇型交联剂、脱肟型交联剂或脱丙酮型交联剂中一种或两种以上任意配比的混合物。
6.如权利要求5所述的单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶，其特征在于：脱醇型交联剂为甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、正硅酸甲酯、正硅酸乙酯或正硅酸丙酯中的一种或两种以上任意配比的混合物；
脱肟型交联剂为甲基三丁酮肟基硅烷、乙烯基三丁酮肟基硅烷或苯基三丁酮肟基硅烷中的一种或两种以上任意配比的混合物；
脱丙酮型交联剂为甲基三异丙烯氧基硅烷、乙烯基三异丙烯氧基硅烷或苯基三异丙烯氧基硅烷中的任意一种或两种及以上任意配比的混合物。
7.权利要求1或2所述的单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶，其特征在于：催化剂为有机锡类催化剂或有机钛类催化剂。
8.如权利要求7所述的单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶，其特征在于：有机锡类催化剂为二丁基二月桂酸锡、二丁基二醋酸锡、辛酸锡或异辛酸亚锡中一种或两种及以上任意配比的混合物；
有机钛类催化剂钛酸异丙酯、钛酸正丁酯或乙酰乙酸乙酯钛熬合物中一种或两种及以上任意配比的混合物。
9.权利要求1或2所述的单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶，其特征在于：烷氧基封端马来海松酸改性聚硅氧烷树脂的制备方法，包括顺序相接的如下步骤：
步骤1：将八甲基环四硅氧烷D4100份、含有伯胺基-NH2的烷氧基硅烷偶联剂水解物1～200份、封端剂烷氧基硅烷2～100份和四甲基氢氧化铵混合，于100±5℃下搅拌保温反应4±0.2小时，其中，四甲基氢氧化铵的质量占反应物总质量0.1％，所述份数为质量份数；
步骤2：在步骤1所得产物的物料中加入马来海松酸粉末，并在4±0.2小时内逐渐升温至150±5℃，反应结束，其中，马来海松酸与含有伯胺基-NH2的烷氧基硅烷偶联剂水解物摩尔用量相等；
步骤3：步骤2反应结束后，将反应体系逐渐升温至180±5℃，真空脱低沸物2±0.2小时，即得状态为浅棕色均相透明粘稠液体的烷氧基封端马来海松酸改性聚硅氧烷树脂。
10.权利要求1-9任意一项所述的单组份高粘接性室温硫化有机硅橡胶的制备方法，其特征在于：包括顺序相接的如下步骤：
A、将端羟基硅橡胶、烷氧基封端马来海松酸改性聚硅氧烷树脂和填料加入真空行星搅拌机中在50～100℃的温度范围内进行脱水共混1～4小时；
B、共混结束后，冷却至室温，加入交联剂和催化剂，搅拌混合；
C、在氮气保护下进行分装。
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