CN107722327A - 一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料、制件及其制备方法 - Google Patents

一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料、制件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料、制件及其制备方法，所述硅橡胶泡沫材料至少包括一个基础结构件，每个所述基础结构件包括四个相互叠放的单元层，每个所述单元层包括若干个平行且等距排列的硅橡胶条，相邻两个所述单元层的硅橡胶条互相垂直设置；所述单元层中两个为宽距单元层，且另外两个为窄距单元层，窄距单元层的所述硅橡胶条的排列间距小于宽距单元层的所述硅橡胶条的排列间距，其中，两个所述窄距单元层相邻排列，且两个所述宽距单元层相邻排列。本发明通过调整窄距单元层和宽距单元层的硅橡胶条排列间距，使硅橡胶泡沫材料具有较长的线弹性区域和较高的弹性模量，可满足多种领域的实际应用需求。

Description

一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料、制件及其制备 方法
技术领域
本发明涉及多孔材料领域，尤其是硅泡沫材料微孔结构设计领域，具体为一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料、制件及其制备方法。
背景技术
由于硅泡沫材料具有硅橡胶的优良性能，又具有泡沫材料的可压缩特性，因此被广泛的应用到航空航天、电子通讯、交通运输、机械工程等领域，常用作精密零器件和关键部组件的包装、隔震材料。
传统的硅泡沫材料主要是通过物理发泡或者化学发泡技术进行制备形成弹性多孔结构材料(如CN 106589959A；CN 104774473A；CN 106589958A；CN106433139A；CN103130454B；CN 101199867B)，但是随机发泡材料存在天然的弊端，由于孔隙结构不均匀，造成局部应力集中现象，由此导致了材料的力学性能不能满足严酷的力学使用环境需求，从而影响关键结构件的可靠性。近些年，国内外出现了基于直写式3D打印技术形成的具有有序泡孔结构的硅橡胶泡沫材料(如CN 105599311A；CN 105818378A；CN 106751906A；Adv.Funct.2014，24，4905-4913；Sin.Rep.2016，6，24871)。这种层层堆垛成型的硅泡沫材料其微孔形式有简单四方体(Simple Tetragonal，缩写为ST)型与面心四方体(FaceCentered Tetragonal，缩写为FCT)型两种结构。其中拥有ST型微孔结构的硅泡沫材料在单轴压缩状态下表现出支柱压缩变形，造成初始弹性模量较高，而后应力上升过快，而拥有FCT型微孔结构的硅泡沫材料则表现出支柱弯曲变形特征，造成初始弹模较低，但是应力增长缓慢。
为此，需要设计一种新型的混杂结构(HYB)，能够使其微孔结构在单轴压缩状态下表现出支柱弯曲和压缩变形共存的力学特征，使得硅泡沫材料表现出较长的线弹性区域和较高的弹性模量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种具有混杂(HYB)微孔结构形式的硅橡胶泡沫材料、制件及其制备方法，所述硅橡胶泡沫材料具有较长的线弹性区域和较高的弹性模量。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料，至少包括一个基础结构件，每个所述基础结构件包括四个相互叠放的单元层，每个所述单元层包括若干个平行且等距排列的硅橡胶条，相邻两个所述单元层的硅橡胶条互相垂直设置；所述单元层中两个为宽距单元层，且另外两个为窄距单元层，窄距单元层的所述硅橡胶条的排列间距小于宽距单元层的所述硅橡胶条的排列间距，其中，两个所述窄距单元层相邻排列，且两个所述宽距单元层相邻排列。
本发明所述的具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料是由硅橡胶条相互交错形成的三维空隙结构，且通过调整窄距单元层和宽距单元层的硅橡胶条的排列间距，使硅橡胶泡沫材料同时具有ST型微孔结构支柱压缩特性和FCT型微孔结构的弯曲变形特性，在单轴压缩状态下表现出了支柱弯曲和压缩变形共存的力学特征，使硅橡胶泡沫材料具有较长的线弹性区域和较高的弹性模量，可满足多种领域的实际应用需求。
需要说明的是，在单元层内平行且等距排列的硅橡胶条可以是近似平行和近似等距排列，而不要求是绝对的平行且等距排列。
优选的，所述窄距单元层的所述硅橡胶条的排列间距为所述宽距单元层的所述硅橡胶条的排列间距的一半，此时微孔结构稳定性较佳，且具有显著的支柱弯曲和压缩变形共存的力学特征。
优选的，所述基础结构件的数量为1-10个。当具有多个基础结构件时，每个基础结构件的结构是重复的，按堆叠的方式组合在一起，不仅可以简化生产制造过程，同时也简化了结构，提高了结构稳定性。
优选的，每个所述单元层的层间高度为0.001mm-0.4mm；每个所述单元层的硅橡胶条的排列间距为0.005mm-3.0mm；每个所述硅橡胶条的直径为0.01mm-0.5mm。不同于发泡制备而成的泡沫材料，本发明所述的混杂微孔结构的所述单元层的层间高度、硅橡胶条的排列间距和硅橡胶条的直径均可根据使用要求进行精确调整，通过参数调整，将对混杂微孔结构的变形特性产生显著影响，从而可得到一系列不同线弹性区域和弹性模量的混杂微孔结构，以满足各个领域的使用要求。
优选的，所述硅橡胶条的材料为二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基乙烯基苯基硅橡胶和甲基乙烯基三氟丙基硅橡胶中的一种或几种。
本发明还提供了一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料制件，包括采用任一上述的一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料。
本发明还提供了上述的一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将硅橡胶作为3D打印原料，利用3D打印机器打印出若干个平行且等距排列的硅橡胶条，以形成单元层；重复打印，叠加多个所述单元层，且相邻两个所述单元层的硅橡胶条互相垂直；
步骤二：打印完成后，将打印得到的硅橡胶泡沫材料加热固化，从而得到一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料。
本发明所述的具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫可以通过3D打印方法制备，其每个单元层的硅橡胶条的排列间距具有均匀一致性，不同于发泡剂形成的无规则的孔洞，从而具有更好的泡沫材料性能，满足严酷的力学使用环境需求。
优选的，所述硅橡胶在3D打印之前经过预处理，所述预处理为硅橡胶脱泡，去掉硅橡胶内部亚微米级别的气泡，有利于打印得到更精细的条形结构，提高打印精度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明所述的具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料是由硅橡胶条相互交错形成的三维空隙结构，且通过调整窄距单元层和宽距单元层的硅橡胶条的排列间距，使硅橡胶泡沫材料同时具有ST型微孔结构支柱压缩特性和FCT型微孔结构的弯曲变形特性，在单轴压缩状态下表现出了支柱弯曲和压缩变形共存的力学特征，使硅橡胶泡沫材料具有较长的线弹性区域和较高的弹性模量，可满足多种领域的实际应用需求。
(2)本发明所述的具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫可以通过3D打印方法制备，其每个单元层的硅橡胶条的排列间距具有均匀一致性，不同于发泡剂形成的无规则的孔洞，从而具有更好的泡沫材料性能，满足严酷的力学使用环境需求。
附图说明：
图1为本发明所述的简单四方体(ST)型微孔结构的硅泡沫材料的物理结构示意图。
图2为图1的侧视图。
图3为本发明所述的面心四方体(FCT)型微孔结构的硅泡沫材料的物理结构示意图。
图4为图3的侧视图。
图5为本发明所述的具有一个基础结构件的混杂微孔(HYB)结构的硅橡胶泡沫材料的物理结构示意图。
图6为图5的侧视图。
图7为图5的正视图。
图8为本发明所述的具有两个基础结构件的混杂微孔(HYB)结构的硅橡胶泡沫材料的物理结构示意图。
图9为图8的侧视图。
图10为图8的正视图。
图11为单轴压缩状态下应变为5％的混杂微孔(HYB)结构的硅橡胶泡沫材料的变形图。
图12为单轴压缩状态下应变为20％的混杂微孔(HYB)结构的硅橡胶泡沫材料的变形图。
图13为单轴压缩状态下具有相同孔隙的三种不同结构类型的硅橡胶泡沫的应力应变图。
图中标记：1-基础结构件，2-单元层，3-硅橡胶条。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
现有的层层堆垛成型的硅泡沫材料，其微孔形式有简单四方体(ST)型与面心四方体(FCT)型两种结构。所述ST型微孔结构的硅泡沫材料如图1-2所示，所述FCT型微孔结构的硅泡沫材料如图3-4所示。拥有ST型微孔结构的硅泡沫材料在单轴压缩状态下表现出支柱压缩变形，造成初始弹性模量较高，而后应力上升过快，而拥有FCT型微孔结构的硅泡沫材料则表现出支柱弯曲变形特征，造成初始弹模较低，但是应力增长缓慢。
如图5-7所示，本发明在此基础上，公开了一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料，至少包括一个基础结构件1，每个所述基础结构件1包括四个相互叠放的单元层2，每个所述单元层2包括若干个平行且等距排列的硅橡胶条3，相邻两个所述单元层2的硅橡胶条3互相垂直设置；所述单元层2中两个为宽距单元层，且另外两个为窄距单元层，窄距单元层的所述硅橡胶条3的排列间距(A2、B2)小于宽距单元层的所述硅橡胶条3的排列间距(A1、B1)，其中，两个所述窄距单元层相邻排列，且两个所述宽距单元层相邻排列。
此处需要说明的是，如图5-7所示的硅橡胶泡沫材料，该材料包括一个基础结构件1，四层单元层2组成了所述基础结构件1，从上往下，第一层和第二层为窄距单元层，第三层和第四层为宽距单元层，其中窄距单元层的硅橡胶条排列间距为宽距单元层的硅橡胶条排列间距的一半，即A2＝0.5A1，B2＝0.5B1。
实施例1
如图8-10所示，一种具有两个基础结构件1的硅橡胶泡沫材料，从上往下共八层，其中一层至四层为一个基础结构件1，五层至八层为另一个基础结构件1，每个基础结构件1包括四层单元层2，其中为两层宽距单元层和两层窄距单元层，从上往下，第一、二、五、六层为窄距单元层，第三、四、七、八层为宽距单元层，窄距单元层的硅橡胶条排列间距(A2、B2)为宽距单元层的硅橡胶条排列间距(A1、B1)的一半，A1＝0.9mm，B1＝0.9mm，A2＝0.45mm，B2＝0.45mm。硅橡胶条3的直径为0.21mm，单元层1的层间高度为0.2mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为28％，弹性模量为0.2Mpa。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，A1＝0.8mm，B1＝0.8mm，A2＝0.4mm，B2＝0.4mm，硅橡胶条3的直径为0.21mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为29％，弹性模量为0.25Mpa。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，A1＝0.7mm，B1＝0.7mm，A2＝0.35mm，B2＝0.35mm，硅橡胶条3的直径为0.21mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为27％，弹性模量为0.32Mpa。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，A1＝0.9mm，B1＝0.9mm，A2＝0.45mm，B2＝0.45mm，硅橡胶条3的直径为0.24mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为28％，弹性模量为0.35Mpa。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，A1＝0.8mm，B1＝0.8mm，A2＝0.4mm，B2＝0.4mm，硅橡胶条3的直径为0.24mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为27％，弹性模量为0.41Mpa。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于，A1＝0.7mm，B1＝0.7mm，A2＝0.35mm，B2＝0.35mm，硅橡胶条3的直径为0.24mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为29％，弹性模量为0.52Mpa。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于，A1＝0.9mm，B1＝0.9mm，A2＝0.45mm，B2＝0.45mm，硅橡胶条3的直径为0.3mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为30％，弹性模量为0.45Mpa。
实施例8
本实施例与实施例1的区别在于，A1＝0.8mm，B1＝0.8mm，A2＝0.4mm，B2＝0.4mm，硅橡胶条3的直径为0.3mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为27％，弹性模量为0.57Mpa。
实施例9
本实施例与实施例1的区别在于，A1＝0.7mm，B1＝0.7mm，A2＝0.35mm，B2＝0.35mm，硅橡胶条3的直径为0.3mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为27％，弹性模量为0.64Mpa。
实施例10
本实施例在实施例1的基础上，用直书写3D打印平台上制备了具有四个基础结构件1的硅橡胶泡沫材料，其中，A1＝0.9mm，B1＝0.9mm，A2＝0.45mm，B2＝0.45mm，硅橡胶条3的直径为0.21mm，单元层1的层间高度为0.2mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为28％，弹性模量为0.23Mpa。
实施例11
本实施例与实施例10的区别在于，A1＝0.8mm，B1＝0.8mm，A2＝0.4mm，B2＝0.4mm，硅橡胶条3的直径为0.21mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为27％，弹性模量为0.26Mpa。
实施例12
本实施例与实施例10的区别在于，A1＝0.7mm，B1＝0.7mm，A2＝0.35mm，B2＝0.35mm，硅橡胶条3的直径为0.21mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为29％，弹性模量为0.31Mpa。
实施例13
本实施例与实施例10的区别在于，A1＝0.9mm，B1＝0.9mm，A2＝0.45mm，B2＝0.45mm，硅橡胶条3的直径为0.24mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为26％，弹性模量为0.34Mpa。
实施例14
本实施例与实施例10的区别在于，A1＝0.8mm，B1＝0.8mm，A2＝0.4mm，B2＝0.4mm，硅橡胶条3的直径为0.24mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为27％，弹性模量为0.42Mpa。
实施例15
本实施例与实施例10的区别在于，A1＝0.7mm，B1＝0.7mm，A2＝0.35mm，B2＝0.35mm，硅橡胶条3的直径为0.24mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为27％，弹性模量为0.51Mpa。
实施例16
本实施例与实施例10的区别在于，A1＝0.9mm，B1＝0.9mm，A2＝0.45mm，B2＝0.45mm，硅橡胶条3的直径为0.3mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为28％，弹性模量为0.46Mpa。
实施例17
本实施例与实施例10的区别在于，A1＝0.8mm，B1＝0.8mm，A2＝0.4mm，B2＝0.4mm，硅橡胶条3的直径为0.3mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为26％，弹性模量为0.56Mpa。
实施例18
本实施例与实施例10的区别在于，A1＝0.7mm，B1＝0.7mm，A2＝0.35mm，B2＝0.35mm，硅橡胶条3的直径为0.3mm，此时，单轴压缩状态下材料的线弹性区域为27％，弹性模量为0.66Mpa。
以上18个实施例的数据汇总如下表1所示：
表1实施例数据汇总
由此可知，不同于发泡制备而成的泡沫材料，本发明所述的混杂微孔结构的所述单元层的层间高度、硅橡胶条的排列间距和硅橡胶条的直径均可根据使用要求进行精确调整，通过参数调整，将对混杂微孔结构的变形特性产生显著影响，从而可得到一系列不同线弹性区域和弹性模量的混杂微孔结构，以满足各个领域的使用要求。
如图11-12所示，混杂结构(HYB)的硅橡胶泡沫在单轴压缩状态下表现出了支柱弯曲和压缩变形共存的力学特征。另外，我们还对相同体积、质量、密度下的简单四方体(ST)结构、面心四方体(FCT)结构和混杂结构(HYB)的硅橡胶泡沫的力学进行进行了对比，单轴压缩状态下三种不同结构类型的硅橡胶泡沫的应力应变图如图13所示。从图13可以看出混杂结构(HYB)的硅橡胶泡沫在承受相同应力的情况下应变最小，优于简单四方体(ST)结构和面心四方体(FCT)结构。
因此，本发明所述的具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料是由硅橡胶条相互交错形成的三维空隙结构，且通过调整窄距单元层和宽距单元层的硅橡胶条的排列间距，使硅橡胶泡沫材料同时具有ST型微孔结构支柱压缩特性和FCT型微孔结构的弯曲变形特性，在单轴压缩状态下表现出了支柱弯曲和压缩变形共存的力学特征，使硅橡胶泡沫材料具有较长的线弹性区域和较高的弹性模量，可满足多种领域的实际应用需求。
实施例19
一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将硅橡胶作为3D打印原料，利用3D打印机器打印出若干个平行且等距排列的硅橡胶条3，以形成单元层；重复打印，叠加多个所述单元层2，且相邻两个所述单元层2的硅橡胶条3互相垂直；
步骤二：打印完成后，将打印得到的硅橡胶泡沫材料加热固化，从而得到一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料。
本发明所述的具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫可以通过3D打印方法制备，其每个单元层的硅橡胶条的排列间距具有均匀一致性，不同于发泡剂形成的无规则的孔洞，从而具有更好的泡沫材料性能，满足严酷的力学使用环境需求。
优选的，所述硅橡胶在3D打印之前经过预处理，所述预处理为硅橡胶脱泡，去掉硅橡胶内部亚微米级别的气泡，有利于打印得到更细的条形结构。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料，其特征在于，至少包括一个基础结构件(1)，每个所述基础结构件(1)包括四个相互叠放的单元层(2)，每个所述单元层(2)包括若干个平行且等距排列的硅橡胶条(3)，相邻两个所述单元层(2)的所述硅橡胶条(3)互相垂直设置；
所述单元层(2)中两个为宽距单元层，且另外两个为窄距单元层，窄距单元层的所述硅橡胶条(3)的排列间距小于宽距单元层的所述硅橡胶条(3)的排列间距，其中，两个所述窄距单元层相邻排列，且两个所述宽距单元层相邻排列。
2.根据权利要求1所述的一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料，其特征在于，所述窄距单元层的所述硅橡胶条(3)的排列间距为所述宽距单元层的所述硅橡胶条(3)的排列间距的一半。
3.根据权利要求1所述的一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料，其特征在于，所述基础结构件(1)的数量为1-10个。
4.根据权利要求1所述的一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料，其特征在于，每个所述单元层(2)的层间高度为0.001mm-0.4mm。
5.根据权利要求1所述的一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料，其特征在于，每个所述单元层(2)的所述硅橡胶条(3)的排列间距为0.005mm-3.0mm。
6.根据权利要求1所述的一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料，其特征在于，每个所述硅橡胶条(3)的直径为0.01mm-0.5mm。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫，其特征在于，所述硅橡胶条(3)的材料为二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基乙烯基苯基硅橡胶和甲基乙烯基三氟丙基硅橡胶中的一种或几种。
8.一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料制件，其特征在于，包括采用如权利要求1-7任一所述的一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料。
9.权利要求1-7任一所述的一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将硅橡胶作为3D打印原料，利用3D打印机器打印出若干个平行且等距排列的硅橡胶条(3)，以形成单元层(2)；重复打印，叠加多个所述单元层(2)，且相邻两个所述单元层(2)的硅橡胶条(3)互相垂直；
步骤二：打印完成后，将打印得到的硅橡胶泡沫材料加热固化，从而得到一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料。
10.根据权利要求9所述的一种具有混杂微孔结构的硅橡胶泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述硅橡胶在3D打印之前经过预处理，所述预处理为硅橡胶脱泡。
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