CN106751889A - 一种耐高温高强度硅橡胶组合物及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温高强度硅橡胶组合物及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐高温高强度硅橡胶组合物，由如下重量份的原料制成：100份甲基乙烯基硅橡胶，10～60份气相法白炭黑，2～8份结构化控制剂，1～10份助剂，0.1～1份含氢硅油，0.05～1份内脱模剂，0.5～2份硫化剂。本发明解决了现有技术中耐高温硅橡胶组合物综合性能的不足，制得的硅橡胶组合物具有良好的耐高温性、物理机械性能以及较低的压缩永久变形，并且生产成本较低，适合大规模生产。

Description

一种耐高温高强度硅橡胶组合物及其制备方法
技术领域
本发明涉及硅橡胶的技术领域，尤其涉及一种耐高温高强度硅橡胶组合物及其制备方法。
背景技术
耐温性是硅橡胶最突出的优良性能之一，其可以在-50℃～200℃长期使用。随着科学技术的进步，对硅橡胶的耐热性提出了更高的要求，如用于现代超音速飞机、高速汽车的热空气导管的硅橡胶要求能耐300℃以上的使用温度；印刷硅橡胶热压胶辊、耐高温密封件等对硅橡胶耐热空气老化温度要求至300℃或更高；用于宇航工业的硅橡胶，其耐热性要求更高。提高硅橡胶的耐热性，可以延长模具的使用寿命，从而降低生产成本，提高产品竞争力。
硅胶的热老化主要有主链降解和侧链氧化两种形式，热氧老化是硅橡胶最重要的老化形式，热和氧共同作用使硅橡胶发生老化，热促进了硅橡胶的氧化，而氧促进了硅橡胶的热降解。聚硅氧烷侧链有机基团易被氧化，从而发生热氧降解氧气进攻聚硅氧烷侧链的有机基团，使聚硅氧烷发生交联或降解反应，并生成甲醛、甲酸等小分子，导致交联密度增加，硅橡胶变脆、变硬，从而使硅橡胶失去弹性，降低硅橡胶的使用寿命。150℃以下硅橡胶的物理机械性能随时间变化不大，可半永久性使用，但温度超过200℃时，硅橡胶易发生侧基氧化反应，导致其使用寿命随温度的升高而迅速降低。
目前，主要是通过配合技术和添加新助剂，改变交联方式及共聚、共混等改性技术，使硅橡胶能够在较高温度下得到更广泛的应用。硅橡胶主链的断裂、重排反应是链段内的环化反应，在主链中引入耐热性的大体积链段可以抑制环化反应发生，从而提高硅橡胶的耐热性，侧链的氧化主要是引入各种耐热添加剂来改善的。例如公开号为CN103819901A的专利文献中采用低苯基硅橡胶作为耐高温胶同步带，但目前国内苯基环体纯度不高，价格昂贵且苯基硅橡胶的制备复杂，大量规模化生产困难。再如公开号为CN 101735620A的专利中采用添加氢氧化铈，聚酰亚胺来提高硅橡胶的耐高温性，但聚酰亚胺和硅橡胶的相容性较差，且这两种添加剂对硅橡胶耐热性的提高有限。公开号为CN 103275491的专利，用三-(三甲基硅基)磷酸酯、三-(三甲基硅基)硼酸酯等与醋酸铜反应并制备了一种硅橡胶耐热添加剂，但硅橡胶的拉伸强度，伸长率偏低。
综上，现有技术公开的提高耐高温性的方法得到的硅橡胶尽管耐温性都得到一定提高，但存在或者成本高，难以大规模生产，或者耐高温硅胶有颜色，不透明，或者牺牲了硅橡胶的物理机械性能和加工性的问题，另外也存在拉伸永久变形、压缩永久变形大的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中耐高温硅橡胶组合物性能的不足，提供一种耐高温高强度硅橡胶组合物，其具有良好的耐高温性和物理机械性能，以及较低的压缩永久变形。
技术方案
本发明原理：硅橡胶中存在着硅羟基，如补强剂白炭黑表面以及生胶的链端含有硅羟基，这些羟基很容易通过氢键吸附水分子，高温下使极性的硅氧键断裂，引发降解反应，从而破坏有机硅橡胶的结构，这些对硅橡胶的耐热都是不利的，因此可通过消除高活性硅羟基来提高硅橡胶的耐高温性。
本发明通过加入二苯基二烷氧基硅烷、甲基苯基二烷氧基硅烷中的一种或两种来去除掉气相法白炭黑表面的孤立的、高活性的硅羟基，从而提高硅橡胶的耐高温性。
本发明通过在用苯基烷氧基硅烷处理白炭黑的同时，加入苯基甲基乙烯基硅油，苯基甲基硅油，苯基硅树脂中的一种或两种以上，使其与甲基乙烯基硅橡胶共混，可以提高Si-O键的主链的降解活化能及降低侧链的氧化，因此在一定程度上减弱了主链发生解扣式降解反应的可能性。
为了实现以上目的，本发明的耐高温高强度硅橡胶组合物由如下重量份数的原料制成：
100份甲基乙烯基硅橡胶，10～60份气相法白炭黑，2～8份结构化控制剂，1～10份助剂，0.1～1份含氢硅油，0.05～1份内脱模剂，0.5～2份硫化剂。
所述甲基乙烯基硅橡胶的乙烯基摩尔含量为0.03％～3.50％，分子量为65万～75万，由两种以上的不同乙烯基含量的甲基乙烯基硅橡胶混合而成。
所述气相法白炭黑比表面积为200m2/g～400m2/g。
优选的，所述结构化控制剂选自羟基硅油、低粘度烷氧基硅油、乙烯基硅氮烷或六甲基二硅氮烷中的一种或两种以上任意比例的混合物。有助于提高混炼硅橡胶的物理机械性能。
优选的，所述助剂选自二苯基二烷氧基硅烷、甲基苯基烷氧基硅烷、苯基甲基乙烯基硅油、苯基甲基硅油、苯基硅树脂、二氧化钛、氧化铁或氧化铈中的一种或两种以上任意比例的混合物。有助于提高混炼硅橡胶的耐高温性能。
优选的，所述含氢硅油为含氢量在1.5％以上的含氢硅油。
优选的，所述的内脱模剂为硬脂酸或硬脂酸盐，具体选自硬脂酸锌、硬脂酸镁或硬脂酸钙中的一种或两种以上任意比例的混合物。
优选的，所述的硫化剂为过氧化物双二四(2,4-二氯过氧化苯甲酰)或双二五(2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷)。有助于提高混炼硅橡胶的物理机械性能。
采用以上优选的原料，有益于更好的提高混炼硅橡胶的物理机械性能及耐高温性能。
上述耐高温高强度硅橡胶组合物的制备方法，包括以下步骤：
(1)将甲基乙烯基硅橡胶、结构化控制剂和内脱模剂在真空捏合机中混合，得到第一混合物料；
(2)将气相法白炭黑和助剂加入第一混合物料中，进行密炼捏合，得到第二混合物料；
(3)将第二混合物料进行高温密炼处理，得到混炼胶料；
(4)将所述步骤(3)得到的混炼胶料与含氢硅油和硫化剂混合，进行硫化，得到耐高温高强度硅橡胶组合物。
进一步，步骤(2)中，所述气相法白炭黑和助剂分3～6次加入第一混合物料中，分次加入有益于胶料的快速成团，缩短捏合时间。
进一步，步骤(2)中，所述密炼捏合温度不高于80℃，密炼时间不少于2.5h。
进一步，步骤(3)中，所述高温密炼处理的温度为100℃～150℃，真空度为-0.08MPa～-0.1MPa，密炼时间不少于1h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明未采用甲基苯基硅橡胶作为基础料，而是采用苯基烷氧基硅烷处理气相法白炭黑，同时通过甲基乙烯基硅橡胶与苯基类有机硅聚合物机械共混生产耐高温硅橡胶，所以生产成本较低，适合大规模生产，适合民用。
2、本发明硅胶组合物硫化制品无色透明，可以用来制备无色透明制品，同时具有良好的物理机械性能和加工性，压缩永久变形较小。
3、本发明的耐高温高强度硅橡胶组合物具有很好的耐高温性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例及对比实施例，对本发明进行进一步详细说明。
下述各实施例中各物质的计量单位“份”指重量份，实施例中的原料均为市售商品。
实施例1
1)在真空密炼机中，加入50份二甲基乙烯基封端、分子量为65万、乙烯基的摩尔含量为0.10％的甲基乙烯基硅橡胶，50份二甲基乙烯基封端、分子量为65万、乙烯基的摩尔含量为0.25％的甲基乙烯基硅橡胶，2.0份运动黏度为35cst的羟基硅油，3.0份运动黏度为100cst的乙烯基苯基硅油，1份含氢量1.53％的含氢硅油，0.1份硬脂酸锌，在捏合机中混合均匀。
2)在步骤1)中加入35份比表面积为200m2/g的气相法白炭黑，2.0份二苯基二甲氧基硅烷，其中白炭黑和二苯基二甲氧基硅烷分四次加入，每次气相法白炭黑和二苯基二甲氧基硅烷加入量依次分别为35％、25％、25％、15％，在常压，温度60℃～80℃下，搅拌捏合，成团，再捏合10～30min。
3)将步骤2)的胶料升温至100℃～120℃，在真空度为-0.8MPa～-0.9MPa下，真空高温密炼1.5h，冷却停放24h，得到混炼胶。
4)将步骤3)100份混炼胶与0.65份硫化剂双二五，在开炼机中炼均匀，先在175℃硫化5min，然后在200℃硫化4h，得到耐高温高强度硅橡胶组合物。
对实施例1得到的硅橡胶组合物进行性能测试，测试结果见表1。
实施例2
1)在真空密炼机中，加入50份二甲基乙烯基封端、分子量为65万、乙烯基的摩尔含量为0.10％的甲基乙烯基硅橡胶，50份二甲基乙烯基封端、分子量为65万、乙烯基的摩尔含量为0.25％的甲基乙烯基硅橡胶，4.0份运动黏度为35cst的羟基硅油，1份1.52％的含氢硅油，0.1份硬脂酸锌，在捏合机中混合均匀。
2)在步骤1)中加入35份比表面积为200m2/g的气相法白炭黑，2.0份二苯基二甲氧基硅烷，其中白炭黑和二苯基二甲氧基硅烷分四次加入，每次气相法白炭黑和二苯基二甲氧基硅烷加入量依次分别为35％、25％、25％、15％，在常压，温度60℃～80℃下，搅拌捏合，成团，再捏合10～30min。
3)将步骤2)的胶料升温至100℃～120℃，在真空度为-0.8MPa～-0.9MPa下，真空高温密炼1.5h，冷却停放24h，得到混炼胶。
4)将步骤3)100份混炼胶与0.65份硫化剂双二五，在开炼机中炼均匀，先在175℃硫化5min，然后在200℃硫化4h，得到耐高温高强度硅橡胶组合物。
对实施例2得到的硅橡胶组合物进行性能测试，测试结果见表1。
实施例3
1)在真空密炼机中，加入50份二甲基乙烯基封端、分子量为65万、乙烯基的摩尔含量为0.10％的甲基乙烯基硅橡胶，50份二甲基乙烯基封端、分子量为65万、乙烯基的摩尔含量为0.25％的甲基乙烯基硅橡胶，2.0份运动黏度为35cst的羟基硅油，3.0份运动黏度为100cst的乙烯基苯基硅油，1份含氢量1.53％的含氢硅油，0.1份硬脂酸锌，在捏合机中混合均匀。
2)在步骤1)中加入35份比表面积为200m2/g的气相法白炭黑，白炭黑分四次加入，每次气相法白炭黑加入量依次分别为35％、25％、25％、15％，在常压，温度60℃～80℃下，搅拌捏合，成团，再捏合10～30min。
3)将步骤2)的胶料升温至100℃～120℃，在真空度为-0.8MPa～-0.9MPa下，真空高温密炼1.5h，冷却停放24h，得到混炼胶。
4)将步骤3)100份混炼胶与0.65份硫化剂双二五，在开炼机中炼均匀，先在175℃硫化5min，然后在200℃硫化4h，得到耐高温高强度硅橡胶组合物。
对实施例3得到的硅橡胶组合物进行性能测试，测试结果见表1。
实施例4
1)在真空密炼机中，加入50份二甲基乙烯基封端、分子量为65万、乙烯基的摩尔含量为0.10％的甲基乙烯基硅橡胶，50份二甲基乙烯基封端、分子量为65万、乙烯基的摩尔含量为0.25％的甲基乙烯基硅橡胶，2.0份运动黏度为35cst的羟基硅油，4.0份运动黏度为100cst的乙烯基苯基硅油，1份含氢量1.52％的含氢硅油，0.1份硬脂酸锌，在捏合机中混合均匀。
2)在步骤1)中加入35份比表面积为300m2/g的气相法白炭黑，1.0份二苯基二甲氧基硅烷，其中白炭黑和二苯基二甲氧基硅烷分四次加入，每次气相法白炭黑和二苯基二甲氧基硅烷加入量依次分别为35％、25％、25％、15％，在常压，温度60℃～80℃下，搅拌捏合，成团，再捏合10～30min。
3)将步骤2)的胶料升温至100℃～120℃，在真空度为-0.8MPa～-0.9MPa下，真空高温密炼1.5h，冷却停放24h，得到混炼胶。
4)将步骤3)100份混炼胶与0.65份硫化剂双二五，在开炼机中炼均匀，先在175℃硫化5min，然后在200℃硫化4h，得到耐高温高强度硅橡胶组合物。
对实施例4得到的硅橡胶组合物进行性能测试，测试结果见表1。
实施例5
1)在真空密炼机中，加入50份二甲基乙烯基封端、分子量为65万、乙烯基的摩尔含量为0.10％的甲基乙烯基硅橡胶，50份二甲基乙烯基封端、分子量为65万、乙烯基的摩尔含量为0.25％的甲基乙烯基硅橡胶，2.0份运动黏度为35cst的羟基硅油，3.0份运动黏度为100cst的乙烯基苯基硅油，2.0份氧化铈，1份含氢量1.54％的含氢硅油，0.1份硬脂酸锌，在捏合机中混合均匀。
2)在步骤1)中加入35份比表面积为200m2/g的气相法白炭黑，2.0份二苯基二甲氧基硅烷，其中白炭黑和二苯基二甲氧基硅烷分四次加入，每次气相法白炭黑和二苯基二甲氧基硅烷加入量依次分别为35％、25％、25％、15％，在常压，温度60℃～80℃下，搅拌捏合，成团，再捏合10～30min。
3)将步骤2)的胶料升温至100℃～120℃，在真空度为-0.8MPa～-0.9MPa下，真空高温密炼1.5h，冷却停放24h，得到混炼胶。
4)将步骤3)100份混炼胶与0.65份硫化剂双二五，在开炼机中炼均匀，先在175℃硫化5min，然后在200℃硫化4h，得到耐高温高强度硅橡胶组合物。
对实施例5得到的硅橡胶组合物进行性能测试，测试结果见表1。
对比例
1)在真空密炼机中，加入50份二甲基乙烯基封端、分子量为65万、乙烯基的摩尔含量为0.10％的甲基乙烯基硅橡胶，50份二甲基乙烯基封端、分子量为65万、乙烯基的摩尔含量为0.25％的甲基乙烯基硅橡胶，4.0份运动黏度为35cst的羟基硅油，1份含氢量1.51％的含氢硅油，0.1份硬脂酸锌，在捏合机中混合均匀。
2)在步骤1)中加入35份比表面积为200m2/g的气相法白炭黑，其中白炭黑分四次加入，气相法白炭黑入量依次分别为35％、25％、25％、15％，在常压，温度60℃～80℃下，搅拌捏合，成团，再捏合10～30min。
3)将步骤2)的胶料升温至100℃～120℃，在真空度为-0.8MPa～-0.9MPa下，真空高温密炼1.5h，冷却停放24h，得到混炼胶。
4)将步骤3)100份混炼胶与0.65份硫化剂双二五，在开炼机中炼均匀，先在175℃硫化5min，然后在200℃硫化2h，得到对比例硅橡胶组合物。
产品性能的测试结果详情见表1所示。
性能测试
将实施例制得的硅橡胶组合物进行机械性能的测试，并与对比例的硅橡胶组合物进行对比，测试方法：按照标准号为GB/T528-2009的国家标准对硅橡胶组合物的拉伸强度和扯断伸长率进行测试；按照标准号为GB/T529-2008的国家标准对硅橡胶组合物的撕裂强度进行测试；按标准号为GB/T531.1-2008的国家标准对硅橡胶组合物的邵氏硬度进行测试；按照标准号为GB/T7759-1996的国家标准对硅橡胶组合物的低压缩永久变形性能进行测试，条件为180℃×22h，B型试样，压缩率为25％。测试结果见表1。
备注：
下述表1中的一段物理性能指的是耐高温高强度硅橡胶组合物在温度120～180℃，压力10～15MPa，时间4～20min的硫化条件下测试的物理性能；
二段物理性能指的是耐高温高强度硅橡胶组合物在一段硫化后，继续在温度180℃～220℃，时间2～4小时的硫化条件下测试的物理性能。二次硫化目的是使组合物一段硫化制品进一步交联，去除硫化剂残余物，从而改善橡胶制品的力学性能和压缩永久变形性能，二次硫化的方法是烘箱热空气硫化。
表1硅橡胶组合物的机械性能测试结果
由表1可知，对比例得到的硅橡胶组合物二段压缩永久变形大，但耐高温性能较差，经过280℃*72h测试后，物理机械性能变化很大，高温后拉伸强度只有2.7MPa，伸长率只有182％，与之相比，本发明实施例制得的硅橡胶组合物具有更好的耐高温性、物理机械性能以及较低的压缩永久变形。
上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (10)

1.一种耐高温高强度硅橡胶组合物，其特征在于，其由如下重量份的原料制成：100份甲基乙烯基硅橡胶，10～60份气相法白炭黑，2～8份结构化控制剂，1～10份助剂，0.1～1份含氢硅油，0.05～1份内脱模剂，0.5～2份硫化剂；
所述甲基乙烯基硅橡胶的乙烯基摩尔含量为0.03％～3.50％，分子量为65万～75万，由两种以上的不同乙烯基含量的甲基乙烯基硅橡胶混合而成；
所述气相法白炭黑比表面积为200m2/g～400m2/g。
2.如权利要求1所述的耐高温高强度硅橡胶组合物，其特征在于，所述结构化控制剂选自羟基硅油、低粘度烷氧基硅油、乙烯基硅氮烷或六甲基二硅氮烷中的一种或两种以上任意比例的混合物。
3.如权利要求1所述的耐高温高强度硅橡胶组合物，其特征在于，所述助剂选自二苯基二烷氧基硅烷、甲基苯基烷氧基硅烷、苯基甲基乙烯基硅油、苯基甲基硅油、苯基硅树脂、二氧化钛、氧化铁或氧化铈中的一种或两种以上任意比例的混合物。
4.如权利要求1所述的耐高温高强度硅橡胶组合物，其特征在于，所述含氢硅油为含氢量在1.5％以上的含氢硅油。
5.如权利要求1所述的耐高温高强度硅橡胶组合物，其特征在于，所述内脱模剂选自硬脂酸锌、硬脂酸镁或硬脂酸钙中的一种或两种以上任意比例的混合物。
6.如权利要求1至5任一项所述的耐高温高强度硅橡胶组合物，其特征在于，所述硫化剂为2,4-二氯过氧化苯甲酰或2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷。
7.权利要求1至6任一项所述耐高温高强度硅橡胶组合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将甲基乙烯基硅橡胶、结构化控制剂和内脱模剂在真空捏合机中混合，得到第一混合物料；
(2)将气相法白炭黑和助剂加入第一混合物料中，进行密炼捏合，得到第二混合物料；
(3)将第二混合物料进行高温密炼处理，得到混炼胶料；
(4)将所述步骤(3)得到的混炼胶料与含氢硅油和硫化剂混合，进行硫化，得到耐高温高强度硅橡胶组合物。
8.如权利要求7所述耐高温高强度硅橡胶组合物的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述气相法白炭黑和助剂分3～6次加入第一混合物料中。
9.如权利要求7所述耐高温高强度硅橡胶组合物的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述密炼捏合温度不高于80℃，密炼时间不少于2.5h。
10.如权利要求7或8或9所述耐高温高强度硅橡胶组合物的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述高温密炼处理的温度为100℃～150℃，真空度为-0.08MPa～-0.1MPa，密炼时间不少于1h。
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