单组份室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶及制备方法
技术领域
本发明属于硅橡胶技术领域,更为具体地讲,涉及一种单组份室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶及制备方法。
背景技术
尽管航空旅行是世界上最安全的旅行方式,但由于操作失误、机械故障、天气不良等原因,飞机在起降过程中还是可能会冲出跑道,造成严重事故和事故征候,这是对航空安全的主要威胁之一。
近年来,随着飞行量的不断增长,飞机冲出跑道的次数亦呈上升趋势。在民航业总的事故率稳中趋降的情况下,如何避免飞机冲出跑道后发生机毁人亡的严重事故,已经成为民航业共同面对的一个重要课题。尤其是对一些机场来说,因为跑道外有自然障碍(如,江河湖海、深沟等)、建筑设施,或受其他环境因素限制,难以建设符合长度要求的跑道端安全区,或者建设代价过于高昂,或者虽然有符合ICAO最低标准要求的安全区(3、4类机场为240米长),但一旦冲出端安全区,后果特别严重。针对这些问题,美国率先组织研发了特性材料拦阻系统(Engineered Material Arresting System,简称EMAS),作为上述不能加长端安全区的特殊机场的一种工程替代措施。
特性材料拦阻系统(EMAS)是一种具有特定力学性能的溃缩材料,以数十厘米的厚度铺设在跑道延长线的地面上,形成一个拦阻床。飞机一旦冲出跑道进入拦阻床,溃缩材料在机轮的碾压下破碎,以此吸收飞机的动能,在保证飞机和机上人员安全的前提下,使飞机逐渐减速并最终停止在拦阻床内。EMAS可以为冲出跑道的飞机,提供最后一道可靠的安全屏障。因此,EMAS系统的主体材料必须具有以下性能:主体材料具有优异防水能力;拦阻床整体封装具有优异的防水性;顶盖具有优异抗紫外线和防老化能力;具有优异的耐候性,不受天气限制:大风、下雨、雪天均可使用;使用安全:整套系统满足阻燃、耐火、无毒、环保要求;应急救援:不妨碍事后乘员的撤离和应急救援车辆接近飞机;设计寿命:20年;维护要求:定期简单维护;导航和灯光设施:无影响;施工周期:60-80天。相应地,用于EMAS主体材料的嵌缝胶必须具有高伸长率、低模量和对混凝土良好的粘接性等性能,以适应混凝土板块之间水平或垂直方向极大的位移,避免密封胶长期受拉伸或剪切应力后开裂。其本身需要具有卓越的耐候性、优异的耐高低温性和良好的耐水性,使用寿命长,阻燃、耐火、无毒、环保、施工方便等要求。
目前,市场上的嵌缝胶主要以环氧树脂、聚氨酯为主,环氧树脂和聚氨酯普遍存在耐自然老化性差,寿命短,强度过高或过低,修补困难等问题,不能满足EMAS系统的需求。而单组分室温硫化硅橡胶本身具有卓越的耐候性、优异的耐高低温性和良好的耐水性。可在-60~200℃范围内能长期使用;能有效阻止雨水从接缝浸入,侵蚀破坏;使用寿命可达20年;固化时不吸热、不放热,固化后收缩率小,对材料的粘接性好等性能,并且施工方便、容易修补,大大降低了长期维护成本。同时,其本体无毒、环保。添加一定的功能材料后,具有优异的阻燃耐火能力,具有粘合、密封、绝缘、防水保护等用途。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种流动性好、强度适中、阻燃性好、耐候性、粘接力高的单组份室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶及制备方法。
为实现上述发明目的,本发明提供一种单组份室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶,按重量比包括下列组分:
α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷90-120份;
端基为羟基的线形聚二甲基硅氧烷1-10份;
采用三官能团的硅氧烷和六甲基二硅氮烷进行预处理的气相法白炭黑5-15份;
采用三官能团的硅氧烷和D4(八甲基环四硅氧烷)进行预处理的氢氧化铝10-20份;
三聚氰胺氰尿酸盐10-20份;
色母料0.2-1份;
有机锡螯合物1-3份;
甲基三丁酮肟基硅烷2-5份;
乙烯基三丁酮肟基硅烷2-5份;
氨丙基三乙氧基硅烷1-4份;
γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷1-4份;
所述α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷作为基胶,端基为羟基的线形聚二甲基硅氧烷作为添加剂,气相法白炭黑作为补强剂,氢氧化铝和三聚氰胺氰尿酸盐的混合物作为阻燃填料,有机锡螯合物作为催化剂,甲基三丁酮肟基硅烷和乙烯基三丁酮肟基硅烷作为交联剂,氨丙基三乙氧基硅烷和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷作为粘接剂。
本发明还提供单组份室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶的制备方法,包括以下步骤:
(1)按重量比称量α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷90-120份,端基为羟基的线形聚二甲基硅氧烷1-10份,采用三官能团的硅氧烷和六甲基二硅氮烷进行预处理的气相法白炭黑5-15份,采用三官能团的硅氧烷和D4进行预处理的氢氧化铝10-20份,三聚氰胺氰尿酸盐10-20份,色母料0.2-1份,有机锡螯合物1-3份,甲基三丁酮肟基硅烷2-5份,乙烯基三丁酮肟基硅烷2-5份,氨丙基三乙氧基硅烷1-4份,γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷1-4份;
(2)将α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、气相法白炭黑、氢氧化铝和三聚氰胺氰尿酸盐,在捏合机内混合均匀,将胶料转移到三辊机上碾磨,均匀后再转移到捏合机中升温搅拌,保持胶料温度在100~150℃、真空度≥0.085Mpa状态下,搅拌抽真空干燥2~4小时,密闭待用;
(3)将步骤(2)得到的胶料投入行星搅拌釜中,待胶料密闭温度在50~100℃范围内时,加入色母料、有机锡螯合物、甲基三丁酮肟基硅烷、乙烯基三丁酮肟基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,以转速25~30赫兹的转速搅拌20~40分钟,抽真空搅拌20分钟,消真空,得到单组份耐候型室温硫化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶。
本发明采用三官能的具有反应活性的作为硅橡胶的交联剂,在硅橡胶硫化过程中,在催化剂促进下,交联剂与硅橡胶聚合物活性端基发生缩合反应,脱去反应生成的低分子物,最终形成有机硅聚合物的交联网络,实现硅橡胶的交联硫化。本发明使用低粘度α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷作为基胶,线形聚二甲基硅氧烷作为添加剂,增加羟基含量,采用气相法白炭黑补强,氢氧化铝和三聚氰胺氰尿酸盐的混合物作为阻燃填料,甲基三丁酮肟基硅烷和乙烯基三丁酮肟基硅烷作为交联剂,氨丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷为粘接剂,控制生产工艺,得到流动性好、快固化、阻燃性好、强度适中、粘接力好的单组份耐候性室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶,以适应EMAS系统的应用要求。
本发明具有以下有益效果:
(1)在硅橡胶的配制组分中,部分交联剂参与预缩合反应,此外还有相当量过剩的交联剂,这部分具有反应活性的小分子有机硅烷组分也是单组分室温硫化硅橡胶不可缺少的组分之一。与高分子链的基础胶料聚合物相比较,小分子交联剂的化学反应性能相对更为活泼,在产品包装等可能接触微量水份的过程中,它会优先与微量水份反应,从而起到水份清除剂的作用,避免硅橡胶包装过程的早期交联;在硅橡胶贮存过程中将发挥稳定剂的作用。
(2)一般脱酮肟型RTV-1硅橡胶储存期不超过3个月,为解决这个问题,本专利采用在基胶中添加端基为羟基的线形聚二甲基硅氧烷,增加羟基含量,除去基胶中残存的羟基及填料等带入的水分,改进胶料的贮存稳定性。
(3)在硅橡胶所使用的阻燃材料中,氢氧化铝和三聚氰胺氰尿酸盐都具有优异的阻燃性,且都属于环保阻燃剂。氢氧化铝的增稠性小,适用于高流动性产品,而三聚氰胺氰尿酸盐的增稠性大,则更适用于非流动性产品。本发明采用氢氧化铝和三聚氰胺氰尿酸盐的混合作为阻燃材料,其比例为0.5-2,适合本发明硅橡胶的流动性需求。
(4)本发明采用经三官能团的硅氧烷和六甲基二硅氮烷进行预处理的气相法白炭黑,相比普通气相法白炭黑或单一用六甲基二硅氮烷进行预处理的气相法白炭黑,具有更优异的补强效果和储存稳定性;
(5)本发明采用经三官能团的硅氧烷和D4预处理的氢氧化铝,相比普通氢氧化铝,其阻燃性不受影响,其补强能力和储存稳定性更佳。
附图说明
图1是本发明胶料干燥的流程图;
图2是本发明胶料配制的流程图。
具体实施方式
实施例1
选择α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷90份(分子量70000,日本信越产),端基为羟基的线形聚二甲基硅氧烷1份(分子量10000,道康宁产),经三官能团的硅氧烷和六甲基二硅氮烷进行预处理的气相法白炭黑5份、经三官能团的硅氧烷和D4预处理的氢氧化铝10份,三聚氰胺氰尿酸盐15份,在捏合机内混合均匀,将胶料转移到三辊机上碾磨,均匀后再转移到捏合机中升温搅拌,保持胶料温度在100℃、真空度≥0.085Mpa状态下,搅拌抽真空干燥2小时。图1是本发明胶料干燥的流程图。如图1可以得到实际生产过程中胶料干燥的具体步骤。
将干燥好的胶料投入行星搅拌釜中,待胶料密闭温度在50℃范围内时,加入黑色色母料0.2份(在实际应用中也可以根据需要确定色母料的颜色),催化剂:1份有机锡螯合物,交联剂:2份甲基三丁酮肟基硅烷,2份乙烯基三丁酮肟基硅烷,1份氨丙基三乙氧基硅烷,1份γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,转速保持在25~30赫兹搅拌20分钟,抽真空搅拌10分钟,消真空,得到单组份室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶。图2是本发明胶料配制的流程图。如图1可得到胶料干燥的具体步骤。
实施例2
选择α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷110份(分子量70000,日本信越产),端基为羟基的线形聚二甲基硅氧烷5份(分子量10000,道康宁产),经三官能团的硅氧烷和六甲基二硅氮烷进行预处理的气相法白炭黑10份,经三官能团的硅氧烷和D4进行预处理的氢氧化铝20份,三聚氰胺氰尿酸盐10份,在捏合机内混合均匀,将胶料转移到三辊机上碾磨,均匀后再转移到捏合机中升温搅拌,保持胶料温度在120℃、真空度≥0.095Mpa状态下,搅拌抽真空干燥3小时。
将干燥好的胶料投入行星搅拌釜中,待胶料密闭温度在80℃范围内时,加入黑色色母料0.5份,催化剂:2份有机锡螯合物,交联剂:4份甲基三丁酮肟基硅烷,4份乙烯基三丁酮肟基硅烷,2份氨丙基三乙氧基硅烷,2份γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,转速保持在25~30赫兹搅拌30分钟,抽真空搅拌20分钟,消真空,得到单组份室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶。
实施例3
选择α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷120份(分子量70000,日本信越产),端基为羟基的线形聚二甲基硅氧烷10份(分子量10000,道康宁产),经三官能团的硅氧烷和六甲基二硅氮烷进行预处理的气相法白炭黑15份、经三官能团的硅氧烷和D4进行预处理的氢氧化铝17份,三聚氰胺氰尿酸盐20份,在捏合机内混合均匀,将胶料转移到三辊机上碾磨,均匀后再转移到捏合机中升温搅拌,保持胶料温度在150℃、真空度≥0.1Mpa状态下,搅拌抽真空干燥4小时。
将干燥好的胶料投入行星搅拌釜中,待胶料密闭温度在100℃范围内时,加入黑色色母料1份,催化剂:3份有机锡螯合物,交联剂:5份甲基三丁酮肟基硅烷,5份乙烯基三丁酮肟基硅烷,4份氨丙基三乙氧基硅烷,4份γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,转速保持在25~30赫兹搅拌40分钟,抽真空搅拌30分钟,消真空,得到单组份室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶。
为了说明本发明单组份室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶的技术效果,制备了三份对照品来进行性能对比,三份对照品的制备过程如下:
对照品1的制备:
选择α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷110份(分子量70000,日本信越产),端基为羟基的线形聚二甲基硅氧烷5份(分子量10000,道康宁产),未预处理的亲水型气相法白炭黑10份,经三官能团的硅氧烷和D4进行预处理的氢氧化铝30份,在捏合机内混合均匀,将胶料转移到三辊机上碾磨,均匀后再转移到捏合机中升温搅拌,保持胶料温度在120℃、真空度≥0.095Mpa状态下,搅拌抽真空干燥3小时。
将干燥好的胶料投入行星搅拌釜中,待胶料密闭温度在80℃范围内时,加入黑色色母料0.5份,催化剂:2份有机锡螯合物,交联剂:4份甲基三丁酮肟基硅烷,4份乙烯基三丁酮肟基硅烷,2份氨丙基三乙氧基硅烷,2份γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,转速保持在25~30赫兹搅拌30分钟,抽真空搅拌20分钟,消真空,得到对照品1。
对照品2的制备:
选择α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷110份(分子量70000,日本信越产),端基为羟基的线形聚二甲基硅氧烷5份(分子量10000,道康宁产),经三官能团的硅氧烷和六甲基二硅氮烷进行预处理的气相法白炭黑10份,未预处理的氢氧化铝30份,在捏合机内混合均匀,将胶料转移到三辊机上碾磨,均匀后再转移到捏合机中升温搅拌,保持胶料温度在120℃、真空度≥0.095Mpa状态下,搅拌抽真空干燥3小时。
将干燥好的投入行星搅拌釜中,待胶料密闭温度在80℃范围内时,加入黑色色母料0.5份,催化剂:2份有机锡螯合物,交联剂:4份甲基三丁酮肟基硅烷,4份乙烯基三丁酮肟基硅烷,2份氨丙基三乙氧基硅烷,2份γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷高速搅拌30分钟,抽真空搅拌20分钟,消真空,得到对照品2。
对照品3的制备:
选择α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷110份(分子量70000,日本信越产),经三官能团的硅氧烷和六甲基二硅氮烷进行预处理的气相法白炭黑10份,三聚氰胺氰尿酸盐30份,在捏合机内混合均匀,将胶料转移到三辊机上碾磨,均匀后再转移到捏合机中升温搅拌,保持胶料温度在120℃、真空度≥0.095Mpa状态下,搅拌抽真空干燥3小时。
将干燥好的投入行星搅拌釜中,待胶料密闭温度在80℃范围内时,加入黑色色母料0.5份,催化剂:2份有机锡螯合物,交联剂:4份甲基三丁酮肟基硅烷,4份乙烯基三丁酮肟基硅烷,2份氨丙基三乙氧基硅烷,2份γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷高速搅拌30分钟,抽真空搅拌20分钟,消真空,得到产品。
本实施例主要检测单组份室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶和对照品的表干时间、水平流动性、拉伸强度、伸长率和邵氏A硬度,其检测方法为:
将制备好的胶料倒入料槽中自然流平,制成平均厚度为2mm的薄片,室温硫化7d,用制样机将硫化好的薄片裁成哑铃状样条,参照GB/T 528标准用电子万能实验机测试其拉伸强度和断裂伸长率,拉伸速率为50mm/min;表干时间测定参照GB/T 13477.5—2002标准。
另外,考虑此产品需要易挤出、高流淌特性,需要测定挤出性、水平流动性及垂直流动性,现制定流动性测试标准:精确称量产品3.00±0.03g于白纸上,使其自然流动,待胶完全固化后,用台式厚度计测量胶厚度,需要在边缘处、中心处及其余中间处各任选一点,测量厚度,取平均值。
根据实验,发现为了满足EMAS系统的要求,表干时间不能长于16分钟,流动性介于2.2-2.8mm/3g之间,剪切强度不低于1.2Mpa。EMAS系统中,硅橡胶强度过低会导致水泥模块出现裂缝、错台等危害,强度过高会造成机轮碾不碎,从而导致EMAS系统失效,因此对强度性能也有一定要求:拉伸强度介于1.5-2.0MPa之间、伸长率介于150-200%之间,硬度介于25-35之间。
1、产品与对照品比较:
表1是本发明单组份室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶和对照品的使用性能比较。
表1
从表1可以看出:三项对照品1#、2#、3#流动性均较差,不能充分满足EMAS勾缝胶流动性要求;对照品1#的拉伸强度、伸长率、表干时间均不能满足EMAS勾缝胶要求;对照品3#的表干时间不能满足要求;对照品2#、3#剪切强度不能满足要求。只有实施例2的产品各项指标符合要求。
2、不同交联剂份数对产品固化速度的影响:
表2是不同交联剂份数下产品固化速度比较。
表2
从表2可以看出:交联剂低于某临界浓度时,因为低浓度的交联剂不足以使硅橡胶聚合物形成交联网络,这时硅橡胶料无论是否接触潮气都不会交联硫化;如果交联剂浓度过大,在硅橡胶料接触空气中的潮气时,大量过量的交联剂将优先消耗水份,即延迟了硅橡胶的正常交联反应,也会使硅橡胶的交联硫化速度减慢。本发明中采用了适当的份数,使产品固化速度满足要求。
3、产品热老化实验:
该实验采用实施例2的产品进行。表3是产品热老化性能数据。
性能 |
室温 |
200℃×24h |
250℃×72h |
硬度邵氏A |
30 |
28 |
25 |
拉伸强度Mpa |
1.8 |
1.7 |
1.5 |
伸长率% |
180 |
175 |
150 |
剪切强度Mpa |
1.2 |
1.15 |
1.1 |
表3
从表3可以看出,产品硫化后经200℃×24h热老化实验后,其硬度、拉伸强度、伸长率以及对铝剪切强度等指标变化不大,特别是经250℃×72h高温老化后其性能仍能保持。
4、产品储存稳定性:
表4是产品储存性能数据。
表4
从表4可以看出:本发明单组份室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶在贮存半年后,其主要性能没有太大变化,其原因是添加了端基为羟基的线形聚二甲基硅氧烷,增加了羟基含量,可以除去基胶中残存的羟基及填料等带入的水分,改进胶料的贮存稳定性。
5、产品综合性能:
本发明单组份室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶由α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷90-120份,端基为羟基的线形聚二甲基硅氧烷1-10份,气相法白炭黑5-15份,采用三官能团的硅氧烷和D4进行预处理的氢氧化铝10-20份,三聚氰胺氰尿酸盐10-20份,色母料0.2-1,加入1-3份有机锡螯合物,2-5份甲基三丁酮肟基硅烷,2-5份乙烯基三丁酮肟基硅烷,1-4份氨丙基三乙氧基硅烷,1-4份γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷配制得到。表5是本发明得到产品的综合性能数据。
指标 |
单位 |
技术性能 |
表干时间 |
min(25℃,60%) |
14-16 |
水平流动性 |
mm/3g |
2.4-2.6 |
邵氏A硬度 |
/ |
28-32 |
拉伸强度 |
Mpa |
1.7-1.9 |
伸长率 |
% |
170-190 |
剪切强度 |
Mpa |
1.2-1.3 |
阻燃 |
/ |
FV-1级 |
表5
从表5可以看出:本发明单组份室温固化EMAS专用勾缝填隙硅橡胶,其产品性能符合EMAS系统要求,可良好适用于EMAS设施的建设。