CN110903657B - 可快速就地发泡成型的组合物及其制备的大尺寸发泡硅橡胶材料 - Google Patents

可快速就地发泡成型的组合物及其制备的大尺寸发泡硅橡胶材料 Download PDF

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Abstract

本发明中公开了一种可快速就地发泡成型的组合物及其制备的大尺寸发泡硅橡胶材料，该组合物包括交联剂组分和催化剂组分；交联剂组分包括基胶、氢基硅油、羟基小分子物质、表面活性剂；催化剂组分包括基胶和催化剂。该组合物通过发泡和交联反应，可确保体系的充分交联，获得高的力学性能如强度性能，并通过发泡使材料获得较低的密度，同时该组合物采用两组分可很好地满足材料快速就地成型的工艺需求；所制备的大尺寸发泡硅橡胶材料能很好地满足机场跑道端特性材料拦阻系统、高速公路刹车失灵应急道路的使用性能要求。

Description

可快速就地发泡成型的组合物及其制备的大尺寸发泡硅橡胶 材料
技术领域
本发明涉及材料工程及应用领域，特别涉及一类用于机场跑道端特性材料拦阻系统(EMAS)、高速公路刹车失灵应急道路等可快速就地发泡成型的组合物及其制备的大尺寸发泡硅橡胶材料。
背景技术
随着世界民航业迅的速发展，航班起降架次明显增多，飞机冲出跑道的次数呈上升趋势，如何避免飞机冲出跑道后发生严重事故，已经成为民航安全的一个重要课题。据了解，飞机冲出跑道是航空事故中危害程度较大的问题之一。相关研究表明，在严重危害民航飞行安全的事故征候中，飞机冲出跑道位列首位。通过在跑道端头铺设特性材料拦阻系统(Engineered Material Arresting System，简称EMAS)，可以在不增加安全区长度的情况下，实现与新标准等效的安全保障。
EMAS是一种具有特定力学性能的溃缩吸能材料，以数十厘米的厚度铺设在跑道延长线的地面上，宽度与跑道一致，长度在数十米到150米不等，能够形成一个拦阻床。飞机一旦进入这个拦阻床，特性泡沫材料在机轮碾压下破碎，以此吸收飞机的动能，可以将飞机拦停在拦阻床内。对某些地形复杂机场来言，如跑道端安全区外存在陡坎、深沟、水面、道路、障碍物等危险地形，这相当于延长跑道端安全区长度。因此，在跑道端外安全区内安装EMAS非常具有可操作性，也更加经济。
目前，EMAS主要使用的是发泡混凝土，但是发泡混凝土具有开孔率大、吸水性强等缺点，而采用化学发泡制得的发泡硅橡胶能够理想的解决这一问题。申请人在发明专利申请CN108276774A中公开了一种有机硅发泡组合物及由该发泡组合物制备的有机硅多孔发泡硅橡胶材料，其采用有机硅材料，通过发泡和交联反应同时进行，得到了具有较低密度、较高强度性能的多孔有机硅发泡材料。为了进一步提高该类材料在各方面的综合性能，有必要对材料及其在拦阻系统(EMAS)的应用进行更进一步的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可快速就地发泡成型的组合物，具有更好的可操作性及综合性能，可快速就地成型大尺寸的发泡硅橡胶材料；所制备的大尺寸发泡硅橡胶材料具有更好的综合性能，可更好地满足材料在机场跑道端特性材料拦阻系统、高速公路刹车失灵应急道路中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种可快速就地发泡成型的组合物，包括交联剂组分和催化剂组分；
所述交联剂组分包括60～80重量份的基胶；2～12重量份，优选3～10重量份的氢基硅油；1～10重量份，优选3～8重量份的羟基小分子物质；0.5～4重量份，优选1～3重量份的表面活性剂；
所述催化剂组分包括95～99.8重量份的基胶；0.2～5重量份，优选0.5～1.5重量份的催化剂。
优选地，所述基胶包括：
50重量份分子结构式如(I)所示的端侧乙烯基聚二甲基硅氧烷聚合物，其25℃下粘度为1000～50000mPa.s，乙烯基含量为0.1～2wt.％；
Figure BDA0002317273990000021
其中，Vi为乙烯基，Me为甲基，x≥1，1000≥y≥100；
8～30重量份，优选15～25重量份分子结构式为(Me3SiO0.5)a(ViMe2SiO0.5)b(SiO2)c的乙烯基MQ硅树脂；
其中Vi为乙烯基；(a+b)/c＝0.6～1.0，优选为0.70～0.85；a＝6～35，b＝2～8，c＝12～55；优选a＝15～30，b＝4～7，c＝15～40；乙烯基MQ硅树脂的分子量为2000～8000，优选4000～7000；乙烯基含量为0.5～4.0wt％，优选1.5～3.0wt.％；
5～40重量份，优选10～30重量份的填料，所述填料包括阻燃填料、补强填料、增量填料中的一种或多种。阻燃填料可采用氢氧化铝、氢氧化镁、三氧化钼等，优选为氢氧化铝；补强填料可采用气相法二氧化硅、沉淀法二氧化硅；增量填料可采用硅微粉、碳酸钙中的一种或多种。
优选地，所述氢基硅油包括侧氢基硅油和端氢基硅油；
所述侧氢基硅油的分子结构式如(II)所示：
Figure BDA0002317273990000031
其中，m≥5，n≥0；与硅原子直接相连的氢(Si—H)含量为1.4～1.6wt.％；
所述端氢基硅油的分子结构式如(III)所示：
Figure BDA0002317273990000032
其中，30≥z≥6；
所述侧氢基硅油和端氢基硅油的重量比为100/30～30/100，优选100/50～50/100。
本发明中采用端侧乙烯基的聚二甲基硅氧烷聚合物作为基础聚合物，相比于采用端乙烯基的聚二甲基硅氧烷聚合物，可进一步提高成型发泡硅橡胶材料的强度性能，同时可对发泡时的交联密度进行有效的控制，使成型得到的发泡硅橡胶材料的泡孔更小、更均匀，使材料具有更好的强度性能的同时，密度更小。
乙烯基MQ树脂的加入能有效提高成型的发泡硅橡胶材料的强度和硬度。
交联剂中的氢基硅油采用侧氢基硅油和端氢基硅油的混合物。其中，侧氢基硅油中的Si-H基团含量高，有利于反应过程中的快速发泡，提高发泡硅胶的发泡率。而端氢基硅油由于仅在分子链段两端有活性基团，反应速度慢，有利于控制反应过程中的交联和发泡的速度。通过合理控制两种氢基硅油的配比，可进一步增加发泡硅橡胶材料的发泡倍率，并使泡孔分布更加均匀，并且避免材料内形成塌陷或大气泡，可大大提升发泡硅橡胶材料的整体综合性能。
优选地，所述羟基小分子物质为甲醇、乙醇、异丙醇、异丁醇、辛醇、异辛醇、丙三醇或羟基硅油中的一种或多种。含羟基小分子物质的用量对发泡硅橡胶材料的性能同样有着重要的影响，含羟基的小分子物质用量过少，发泡硅橡胶材料的发泡倍数较小，从而导致材料的密度过大；相反的，若用量过大，就会使发泡多孔有机硅泡沫体的物理性能下降，还易导致泡孔塌陷，影响泡孔分布的均匀性。
优选地，所述表面活性剂为非离子含氟表面活性剂，优选FC-4430、Capstone FS-3100中的一种或两种。在组合物中加入表面活性剂可进一步增加组合物成型时在成型模具内的快速流平性能，使组合物能在成型模具内快速铺展，能更好地满足快速就地成型的工艺要求。
优选地，所述催化剂为含第八族过渡金属化合物的催化剂，优选铂催化剂，如氯铂酸、氯铂酸与异丙醇的络合物、氯铂酸与1,3-二乙烯基-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷的络合物、氯铂酸与1,3,5,7-四乙烯基-1,3,5,7-四甲基环四硅氧烷的络合物，其中Pt的含量为2500～6000ppm。
优选地，所述交联剂组分和催化剂组分的重量比为100：80～120，优选100：90～110。
优选地，所述交联剂组分和催化剂组分混合后，能在尺寸为500mm*500mm～1000mm*1000mm的模具中快速铺展，并在常温下快速固化成型为多孔发泡硅橡胶材料。
本发明组合物的制备方法如下：
1)制备基胶
将含乙烯基MQ硅树脂、端侧乙烯基聚二甲基硅氧烷聚合物(I)以及填料，按照各组分重量配比，加入到捏合机中，升温至120℃～190℃捏合2-10小时，优选4-6h，冷却至室温；然后经三辊研磨机研磨两次即得所需基础胶料。
2)制备交联剂组分
按重量份，将上述基胶、两种氢基硅油、羟基小分子物质和表面活性剂加入到行星搅拌釜中，搅拌1小时即得所需交联剂组分。
3)制备催化剂组分
按重量份，将基胶、催化剂加入到行星搅拌釜中，搅拌1小时即得所需催化剂组分。
使用时，将交联剂组分和催化剂组分按照上述比例称重后，混合至均匀，发泡并进行交联固化反应得到发泡硅橡胶材料。
本发明组合物是一种液体硅橡胶组分，通过混合固化完全后得到低弹性发泡均匀的泡沫体。其固化和发泡机理如下：
首先，组合物混合后所具有的良好流动性使物料能在30秒内在成型模具中填充和扩散，同时，在第八族过渡金属化合物催化剂作用下，部分反应速度较快的基团如侧乙烯基与高氢基含量的侧氢基硅油发生反应，形成初步的网络结构。
其次，羟基小分子物质与高氢基含量的侧氢基硅油发生反应，产生氢气。由于初期已经形成网络结构，此时产生的氢气在已经形成的网络结构中填充，使初步形成的网络结构体积膨大。
在体积膨大的同时，反应速度相对较慢的乙烯基团和氢基硅油继续反应，使发泡材料的强度逐渐增加，避免出现气体集中而导致结构塌陷，而影响材料内气泡的均匀性和发泡体的密度。
通过发泡和交联反应的同时进行，一方面可确保体系的充分交联，获得高的力学性能，如强度性能；另一方面通过发泡使材料获得较低的密度，使成型的发泡硅橡胶材料具有更好的综合性能。
本发明进一步涉及由上述组合物制备的发泡硅橡胶材料，其密度小于0.5g/cm3，泡孔分布均匀，压缩强度为0.4～0.8MPa。
本发明中采用上述组合物制备发泡硅橡胶材料的制备方法如下：
将上述组合物中的交联剂组分和催化剂组分按照比例称量后，在混合搅拌装置中高速搅拌(3000～6000r/min)混合30秒至均匀，然后将混合物快速释放到成型模具中，在20℃～30℃下流平并固化发泡，即得到所需发泡硅橡胶材料。
本发明组合物采用交联剂组合和催化剂组分两组分形式，可方便发泡硅橡胶材料在制备时的可操作性，满足材料可快速就地成型的工艺需求；并且方便组合物的包装、存储和使用。
本发明进一步涉及上述组合物及其制备的发泡硅橡胶材料在机场跑道端拦阻系统、高速公路刹车失灵应急道路中的应用。
用于机场跑道端特性材料拦阻系统(EMAS)的可快速就地成型或可预制成型的组合物及由该组合物制备的发泡硅橡胶材料的性能要求如下：
1)施工性能要求
允许操作时间为2～5分钟(室温25℃条件下)。
固化条件：25℃×0.5小时可发泡固化完全。
2)铺展性好
1min内能在50cm*50cm的模腔内铺展。
3)发泡性能
泡孔分布均匀，发泡材料的密度＜0.5g/cm3。
4)阻燃性能(UL94)
阻燃性达到UL 94V-0级要求。
5)力学性能
检测方法依照《特性材料拦阻系统》行业标准(MH/T 5111-2015)。其中，压缩强度0.4～0.8MPa。
表1为本发明组合物及由该组合物制备的发泡硅橡胶材料的性能指标：
Figure BDA0002317273990000071
注1：允许操作时间为从交联剂组分和催化剂组分混合开始计时，当混合物粘度开始增长至不可流动时的时间即为允许操作时间。允许操作时间与检测温度有关。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，通过实施例对本发明的具体实施方式进行详细的阐述。在下面的实施例中，所采用的各原料配比均按重量计。
本发明实施例中所列举的用于机场跑道端特性材料拦阻系统(EMAS)的可快速就地发泡成型的组合物及由该组合物制备的发泡硅橡胶材料，包括交联剂组分和催化剂组分，其中：
交联剂组分的组成及制备方法如下：
将80份基胶、5份端氢基硅油、5份侧氢基硅油、6份羟基硅油和1.5份FC-4430加入的行星搅拌釜中，搅拌1小时即得。
催化剂组分的组成及制备方法如下：
将98.8份基胶、1.2份铂含量为4000ppm的催化剂加入的行星搅拌釜中，搅拌1小时即得。
以上交联剂组分和催化剂组分中基胶的组成及其制备方法如下：
将含20重量份的M/Q比值为0.7，Vi含量为2.5％的乙烯基MQ硅树脂、50重量份乙烯基含量为0.5wt.％的端侧乙烯基聚二甲基硅氧烷以及20重量份的氢氧化铝和10重量份的硅微粉加入到捏合机中，升温至160℃捏合4h，冷却至室温；然后经三辊研磨机研磨两次即得。
所有原料均为市售，其中端侧乙烯基聚二甲基硅氧烷选用成都拓利科技股份有限公司生产的5000mPa.s的端侧乙烯基硅油，乙烯基MQ树脂选用江西新嘉懿新材料有限公司生产XJY-8206，含氢交联剂中侧氢基硅油选用迈图的高含氢硅油TSF484；侧氢基硅油选用成都拓利科技股份有限公司生产的H707C，含氢量为0.15％。
实施例1-6
上述实施例中的组合物，包括交联剂组分和催化剂组分，其具体组分配比如表2中所示。
表2实施例1-6中交联剂组分、催化剂组分的组成及其配比(单位：份)
Figure BDA0002317273990000091
实施例1-6中采用上述各不同组分的组合物，及采用本发明中的制备方法所制备得到的发泡硅橡胶材料，其性能检测结果如表3中所示。
表3实施例1-6的不同组分配比及其性能检测结果(单位：份)
Figure BDA0002317273990000092
从上表的性能数据可以看出，本发明组合物及所制备的发泡硅橡胶材料能够满足用于机场跑道端特性材料拦阻系统(EMAS)的性能要求。
采用发明专利申请(CN10827677A)中公开的实施例及其性能数据作为本申请的对比实施例。
本申请中采用端侧乙烯基聚二甲基硅氧烷代替端乙烯基聚二甲基硅氧烷，采用侧氢基硅油和端氢基硅油的混合物代替高含氢氢基硅油和低含氢氢基硅油混合物作为交联剂，将本申请上述实施例中的性能数据与对比实施例中所公开的数据相比较来看，在交联、发泡反应后所得到的发泡硅橡胶材料在性能上有着显著的区别；具体如下：
本申请上述实施例中，发泡硅橡胶材料的压缩强度为0.42-0.79MPa；而对比例中，发泡硅橡胶材料的压缩强度为0.29-0.55MPa。
可以看出，本申请中在保证组合物的可操作性及发泡硅橡胶材料的其它性能的情况下，在原有基础上显著提高了发泡硅橡胶材料的压缩强度，更好地满足了拦阻系统对材料性能的要求。
本发明涉及的有机硅基泡沫材料通过《特性材料拦阻系统》行业标准(MH/T5111-2015)所规定的台架试验验证，各项性能组表均能满足EMAS标准要求，可应用于机场跑道端飞机拦阻系统中，同时其还可应用于高速公路刹车失灵应急道路等应用场景，具有广泛的应用前景。
试验采用实施例1中的发泡硅橡胶组合物在1000mm×1000mm×500mm的成型模具中固化成型的发泡硅橡胶材料；各项试验性能数据如下：
1.力学性能。该材料的力学性能主要依照《特性材料拦阻系统》行业标准进行检测。为了验证该材料的回弹性能，当材料压缩至400mm处时，改变压头的压缩方向和速度。
从试验得到的单孔曲线可以得到，该发泡硅橡胶材料强度曲线分三段：弹性变形段，平台段，回弹段。该材料经过短暂的弹性变形区后，随着压缩深度的增加，抗压强度逐渐保持稳定，随后强度继续增加并保持稳定，材料的抗压强度范围为0.4MPa至0.8MPa，平均抗压强度为0.65MPa，材料的回弹率小于10％；故而其力学性能满足EMAS标准要求。
2.依照《特性材料拦阻系统》行业标准的性能检测方法，该材料的半溃缩能软化系数、抗冻系数、冻融质量损失率分别为98％、99.5％和0.6％，阻燃性能符合GB/T 8624-2012的A级要求。
3.台架试验
依照《特性材料拦阻系统》行业标准，对具有上述力学性能的有机硅基发泡硅橡胶材料进行了台架试验验证，台架试验的部分参数如下表所示。
编号 铺设厚度(cm) 铺设长度(m) 胎压 负载 速度
1 50 7 1.40 15 20
2 50 7 1.40 10 15
经上述台架试验所得的试验结果，本发明发泡硅橡胶材料性能满足EMAS性能标准要求。
本发明的说明书被认为是说明性的而非限制性的，在本发明基础上，本领域技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征做出的一些替换和变形，均在本发明的保护范围内。

Claims (22)

1.可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，包括交联剂组分和催化剂组分；
所述交联剂组分包括60～80重量份的基胶，2～12重量份氢基硅油，1～10重量份的羟基小分子物质，0.5～4重量份的表面活性剂；
所述催化剂组分包括95～99.8重量份的基胶，0.2～5重量份的催化剂；
所述基胶包括：
50重量份分子结构式如(I)所示的端侧乙烯基聚二甲基硅氧烷聚合物，其25℃下粘度为1000～50000mPa.s，乙烯基含量为0.1～2wt.％；
Figure FDA0003586988290000011
其中，Vi为乙烯基，Me为甲基，x≥1，1000≥y≥100；
8～30重量份分子结构式为(Me3SiO0.5)a(ViMe2SiO0.5)b(SiO2)c的乙烯基MQ硅树脂；
其中Vi为乙烯基；(a+b)/c＝0.6～1.0；a＝6～35，b＝2～8，c＝12～55；乙烯基MQ硅树脂的分子量为2000～8000；乙烯基含量为0.5～4.0wt％；
5～40重量份的填料，所述填料包括阻燃填料、补强填料、增量填料中的一种或多种；
所述氢基硅油包括侧氢基硅油和端氢基硅油；
所述侧氢基硅油的分子结构式如(II)所示：
Figure FDA0003586988290000012
其中，m≥5，n≥0；与硅原子直接相连的氢(Si—H)含量为1.4～1.6wt.％；
所述端氢基硅油的分子结构式如(III)所示：
Figure FDA0003586988290000021
其中，30≥z≥6；
所述侧氢基硅油和端氢基硅油的重量比为100/30～30/100；
所述交联剂组分和催化剂组分的重量比为100：80～120。
2.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述交联剂组分中氢基硅油为3～10重量份。
3.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述交联剂组分中羟基小分子物质为3～8重量份。
4.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述交联剂组分中表面活性剂为1～3重量份。
5.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述催化剂组分中催化剂为0.5～1.5重量份。
6.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述乙烯基MQ硅树脂为15～25重量份。
7.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述乙烯基MQ硅树脂中，(a+b)/c＝0.70～0.85，a＝15～30，b＝4～7，c＝15～40。
8.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述乙烯基MQ硅树脂的分子量为4000～7000。
9.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述乙烯基MQ硅树脂中乙烯基含量为1.5～3.0wt.％。
10.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述填料为10～30重量份。
11.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述侧氢基硅油和端氢基硅油的重量比为100/30～30/100。
12.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述侧氢基硅油和端氢基硅油的重量比为100/50～50/100。
13.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述羟基小分子物质为甲醇、乙醇、异丙醇、异丁醇、辛醇、丙三醇或羟基硅油中的一种或多种。
14.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述表面活性剂为非离子含氟表面活性剂。
15.根据权利要求14所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述表面活性剂为FC-4430、Capstone FS-3100中的一种或两种。
16.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述催化剂为含第八族过渡金属化合物的催化剂。
17.根据权利要求16所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述催化剂为铂催化剂，其中Pt的含量为2500～6000ppm。
18.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述交联剂组分和催化剂组分的重量比为100：80～120。
19.根据权利要求18所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述交联剂组分和催化剂组分的重量比为100：90～110。
20.根据权利要求1所述可快速就地发泡成型的组合物，其特征在于，所述交联剂组分和催化剂组分混合后，能在尺寸为500mm*500mm～1000mm*1000mm的模具中快速铺展，并在常温下快速固化成型为多孔发泡硅橡胶材料。
21.采用权利要求1-20中任一项所述组合物制备的大尺寸发泡硅橡胶材料，其特征在于，其密度小于0.5g/cm3，泡孔分布均匀，压缩强度为0.4～0.8MPa。
22.权利要求1-20中任一项所述组合物及其制备的大尺寸发泡硅橡胶材料在机场跑道端特性材料拦阻系统、高速公路刹车失灵应急道路中的应用。
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