CN111117481B - 一种加成型有机硅液体涂覆材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种加成型有机硅液体涂覆材料及其制备方法和应用，以乙烯基聚二甲基硅氧烷、环氧基聚二甲基硅氧烷、MQ硅树脂为主料，因MQ树脂含有多官能团，在铂催化剂作用下，与乙烯基聚二甲基硅氧烷、环氧基聚二甲基硅氧烷发生交联反应并形成三维交联网络，显著增加涂覆层交联密度，改善涂覆层机械强度和耐热性能。由于MQ树脂还具有良好的阻燃性能和成膜性能，也赋予涂覆层良好阻燃和防尘特性。环氧基聚二甲硅氧烷中的强活性环氧基可与纤维套管上的羟基等活性基团发生作用，保证涂覆层能充分浸润和包覆纤维，增加纤维与涂覆材料间的界面相容性。增粘剂协同使用明显地增强涂覆材料与纤维套管界面间的粘合性能，消除涂覆层在使用过程中容易剥离、脱落等风险。

Description

一种加成型有机硅液体涂覆材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电气绝缘防护高分子材料领域，具体涉及一种加成型有机硅液体涂覆材料及其制备方法和应用。
背景技术
硅橡胶涂覆纤维套管由于具有耐温、绝缘、耐油、难燃等优异特性，已经被广泛用于新能源汽车、高速列车、电子电器、电机电控等领域。
但是，现有的硅橡胶涂覆纤维套管制备过程仍存在较为严重的环保问题，即需要使用大量的二甲苯等有机溶剂对硅橡胶涂覆材料进行稀释，以获得可满足涂覆工艺的低粘度硅橡胶溶液，而这些有机溶剂易挥发、有毒性、易燃烧。同时，二甲苯等有机溶剂也容易残留至硅橡胶涂覆纤维套管内，对硅橡胶涂覆纤维套管的力学、绝缘、阻燃等性能均有不利影响。另外，现有的硅橡胶涂覆材料中含有大量的有机溶剂，需要在高温下长时间处理才能充分脱除溶剂和硫化定型，这将造成硫化工艺能耗大幅增加。
因此，针对现有硅橡胶基涂覆材料及其应用过程中仍存在亟待解决的共性问题，开发无溶剂的液体有机硅涂覆材料及其纤维套管绿色加工技术对其行业发展具有十分重要的意义。
发明内容
针对上述现有技术状况，本发明提供了一种加成型有机硅液体涂覆材料及其制备方法和应用， 其目的主要是为了解决现有硅橡胶涂覆纤维套管制备过程因需要使用大量的二甲苯等有机溶剂所带来的环保问题，以及二甲苯等有机溶剂影响硅橡胶涂覆纤维套管力学、绝缘、阻燃等性能的问题。其次是为了解决有机硅涂覆材料因含有大量的有机溶剂造成硫化工艺高能耗的问题。
为达到上述目的，本发明加成型有机硅液体涂覆材料采用的技术方案是：一种加成型有机硅液体涂覆材料，其创新在于：按照质量份数计，其配方如下：
乙烯基聚二甲基硅氧烷 100份；
环氧基聚二甲基硅氧烷 5-50份；
MQ硅树脂 5-40份；
白炭黑 1-30份；
聚硅酸酯 0.5-10份；
增粘剂 0.5-10份；
交联剂 1-10份；
催化剂 0.1-1.5份；
其中：
所述乙烯基聚二甲硅氧烷为α, ω-二乙烯基聚二甲基硅氧烷，其粘度为500-15000 mPa·s；
所述环氧基聚二甲基硅氧烷为α, ω-二环氧基聚二甲基硅氧烷，其粘度为500-15000 mPa·s；
所述MQ硅树脂为甲基MQ硅树脂、乙烯基MQ硅树脂、甲基氢MQ硅树脂中的一种或两种以上按任意比例的混合物，其粘度为100-5000mPa•s，M/Q的摩尔比为0.1-1.5，其中，M表示单官能团Si-O单元，Q表示四官能团Si-O单元；
所述增粘剂为双-[γ-(三乙氧基硅)丙基-二硫化物]、乙烯基三甲氧基硅烷、γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷中的一种或两种以上按任意比例的混合物。
所述交联剂为线性甲基氢聚硅氧烷、环状甲基氢聚硅氧烷、含硅氢基的MQ硅树脂中的一种或两种以上按任意比例的混合物，其粘度为10-100mPa•s，SiH/SiVi的摩尔比为1.0-2.2；
所述催化剂为铂-乙烯基硅氧烷配合物、铂-炔烃基配合物、醇改性氯铂酸中的一种或两种以上按任意比例的混合物。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1．上述方案中，所述催化剂中，铂的质量份数为0.1%-1.5%。针对催化剂，可以采用炔醇类化合物、多乙烯基聚硅氧烷、酰胺类化合物或马来酸酯类化合物来控制铂催化剂的硫化速度和改善涂覆材料的储存稳定性。
2．上述方案中，所述白炭黑为气相法白炭黑，其比表面积为100-500m2/g。针对气相法白炭黑，可以采用六甲基二硅氮烷和水对气相法白炭黑进行表面疏水处理，其中，六甲基二硅氮烷为1-10份，水为0.5-4份。
3．上述方案中，所述聚硅酸酯为聚硅酸甲酯、聚硅酸乙酯、聚硅酸丙酯、聚硅酸丁酯中的一种或两种以上按任意比例的混合物。
为达到上述目的，本发明加成型有机硅液体涂覆材料制备方法采用的技术方案是：一种加成型有机硅液体涂覆材料的制备方法，其创新在于：在上述加成型有机硅液体涂覆材料配方基础上，按如下步骤进行制备：
第一步，将乙烯基聚二甲基硅氧烷、环氧基聚二甲基硅氧烷、MQ硅树脂、白炭黑加入至捏合机中进行混炼，制得具有流动性的液体有机硅预混物。
第二步，将聚硅酸酯、增粘剂加入至第一步捏合机中，与液体有机硅预混物进行混炼，混合均匀后减压排气，制得具有流动性的液体有机硅基料。
第三步，将第二步制得的液体有机硅基料、交联剂加入至机械搅拌器中进行混合，制得具有流动性的有机硅液体涂覆料A，常温储存。
第四步，将第二步制得的液体有机硅基料、催化剂加入至机械搅拌器中进行混合，制得具有流动性的有机硅液体涂覆料B，常温储存。
第五步，当要对纤维套管进行涂覆时，将第三步制得的有机硅液体涂覆料A和第四步制得的液体有机硅涂覆料B按照1:1的质量比例加入至机械搅拌器中进行混合，配成加成型液体有机硅液体涂覆料。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1．上述方案中，其进一步的工艺参数如下：
在第一步中，混合温度为50-150℃，混合时间为10-90min，转子转速60-180rpm；
在第二步中，混合温度为30-80℃，混合时间为10-60min，转子转速为50-150rpm；
在第三步中，混合温度为25-50℃，混合时间为10-30min，转子转速为100-2000rpm；
在第四步中，混合温度为25-50℃，混合时间为10-30min，转子转速为100-2000rpm；
在第五步中，混合温度为25-50℃，混合时间为5-15min，转子转速为50-500rpm。
为达到上述目的，本发明纤维套管的涂覆处理方法采用的技术方案是：一种纤维套管的涂覆处理方法，其创新在于：将纤维套管通过装有上述的有机硅液体涂覆料的容器，并且通过调控该容器底部设置的贯穿孔孔径大小来控制纤维套管表面的涂覆料厚度进而控制涂覆量；在高温热风通道中进行硫化，制得硅橡胶涂覆纤维套管，其中，热风温度为120-200℃，硫化时间为3-30min，其中，热风通道设置为三段温度加热，即第一段、第二段、第三段热风温度依次升高，以确保硅橡胶涂覆表面平整和涂覆层硫化充分。
由于上述技术方案的运用，与现有技术相比，本发明采用乙烯基聚二甲基硅氧烷、环氧基聚二甲基硅氧烷、MQ硅树脂作为主要原料制得加成型有机硅液体涂覆材料，具有如下优点：
1．本发明在乙烯基聚二甲基硅氧烷基础上，通过加入环氧基聚二甲硅氧烷，其强活性环氧基可与纤维管上的羟基等活性基团发生作用，可保证涂覆材料能充分浸润和包覆纤维，增加纤维与涂覆材料间的界面相容性；同时，其与双-[γ-(三乙氧基硅)丙基-二硫化物]等增粘剂协同使用，可以更加明显地增强有机硅涂覆材料与纤维编织管界面间的粘合性能，消除涂覆层在使用过程中容易剥离、脱落等风险。
2.本发明涂覆材料组分中含有MQ硅树脂，由于MQ树脂含有多官能团，在铂催化剂的作用下，其可以与乙烯基聚二甲基硅氧烷、环氧基聚二甲基硅氧烷等发生交联反应并形成三维交联网络，显著增加涂覆材料的交联密度，进而改善涂覆材料的机械强度和耐热性能；另外，由于MQ硅树脂具有良好的阻燃性能和成膜性能，也可赋予涂覆材料的良好阻燃和防尘特性。
3．本发明通过聚硅酸酯的加入，实现有机硅涂覆料可在较低温度下硫化形成强固的粘接，并且与钛酸酯协同可使涂覆表面达到无粘附性的干爽程度。
4．本发明开发的加成型有机硅液体涂覆材料无需使用任何有机溶剂稀释即可达到涂覆工艺要求，解决了现有有机硅涂覆工艺的高污染、高能耗等问题。
总之，本发明采用乙烯基聚二甲基硅氧烷、环氧基聚二甲基硅氧烷、MQ硅树脂为主要原料，且其制备工艺绿色、环保、低成本，无需使用任何有机溶剂。此外，由于未使用任何有机溶剂也使得涂覆的纤维套管能保持良好的力学、绝缘、耐热等性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1-5：一种加成型有机硅液体涂覆材料的原材料组成如表1所示，表1中的原材料组成数值均为质量份数。
表1 为实施例1-5一种加成型有机硅液体涂覆材料的原料配方：
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
乙烯基聚二甲基硅氧烷 100份 100份 100份 100份 100份
环氧基聚二甲基硅氧烷 8份 45份 12份 34 22份
MQ硅树脂 38份 7份 25份 30份 13份
白炭黑 9份 13份 26份 4份 18份
聚硅酸酯 5份 9份 0.8份 7份 3份
增粘剂 4份 0.9份 10份 6份 2份
交联剂 7份 10份 2份 4份 9份
催化剂 0.6份 0.4份 0.9份 1.3份 0.1份
上述表1中的原材料名称和特性说明如下：
1．所述乙烯基聚二甲硅氧烷为α, ω-二乙烯基聚二甲基硅氧烷，其粘度为500-15000 mPa·s。
2．所述环氧基聚二甲基硅氧烷为α, ω-二环氧基聚二甲基硅氧烷，其粘度为500-15000 mPa·s。
3．所述MQ硅树脂是由单官能团Si-O单元（M单元"mono"）与四官能团Si-O单元（SiQZ简称Q单元"quad"）组成的一种有机硅树脂，具有双层结构紧密球状物。一般MQ硅树脂是粉状物，直接使用不易分散。为甲基MQ硅树脂、乙烯基MQ硅树脂、甲基氢MQ硅树脂中的一种或两种以上按任意比例的混合物，其粘度为100-5000mPa•s，M/Q的摩尔比为0.1-1.5，其中，M表示单官能团Si-O单元，Q表示四官能团Si-O单元。
实施例1：采用甲基MQ硅树脂。
实施例2：采用乙烯基MQ硅树脂。
实施例3：采用甲基氢MQ硅树脂。
实施例4：采用甲基MQ硅树脂和乙烯基MQ硅树脂的混合物。
实施例5：采用甲基MQ硅树脂和甲基氢MQ硅树脂的混合物。
4．所述白炭黑为气相法白炭黑，其比表面积为100-500m2/g。针对气相法白炭黑，采用六甲基二硅氮烷和水对气相法白炭黑进行表面疏水处理，其中，六甲基二硅氮烷为1-10份，水为0.5-4份。
5．所述聚硅酸酯为聚硅酸甲酯、聚硅酸乙酯、聚硅酸丙酯、聚硅酸丁酯中的一种或两种以上按任意比例的混合物。
实施例1：采用聚硅酸甲酯。
实施例2：采用聚硅酸乙酯。
实施例3：采用聚硅酸丙酯。
实施例4：采用聚硅酸丁酯。
实施例5：采用聚硅酸甲酯和聚硅酸丁酯的混合物。
6．所述增粘剂为双-[γ-(三乙氧基硅)丙基-二硫化物]、乙烯基三甲氧基硅烷、γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷中的一种或两种以上按任意比例的混合物；
实施例1：采用双-[γ-(三乙氧基硅)丙基-二硫化物]。
实施例2：采用乙烯基三甲氧基硅烷。
实施例3：采用γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷。
实施例4：采用双-[γ-(三乙氧基硅)丙基-二硫化物]和乙烯基三甲氧基硅烷的混合物。
实施例5：采用乙烯基三甲氧基硅烷和γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷的混合物。
7．所述交联剂为线性甲基氢聚硅氧烷、环状甲基氢聚硅氧烷、含硅氢基的MQ硅树脂中的一种或两种以上按任意比例的混合物，其粘度为10-100mPa•s，SiH/SiVi的摩尔比为1.0-2.2。
实施例1：采用线性甲基氢聚硅氧烷。
实施例2：采用环状甲基氢聚硅氧烷。
实施例3：采用含硅氢基的MQ硅树脂。
实施例4：采用线性甲基氢聚硅氧烷和环状甲基氢聚硅氧烷的混合物。
实施例5：采用线性甲基氢聚硅氧烷和含硅氢基的MQ硅树脂的混合物。
8．所述催化剂为铂-乙烯基硅氧烷配合物、铂-炔烃基配合物、醇改性氯铂酸中的一种或两种以上按任意比例的混合物。所述催化剂中，铂的质量份数为0.1%-1.5%。
针对催化剂，采用炔醇类化合物、多乙烯基聚硅氧烷、酰胺类化合物或马来酸酯类化合物来控制铂催化剂的硫化速度和改善涂覆材料的储存稳定性。
所述炔醇类化合物具体为炔烃氧基硅烷、含炔烃氧基聚硅氧烷、炔醇/丙烯酸酯并用或者炔醇/胺并用；所述多乙烯基聚硅氧烷具体为甲基乙烯基环四硅氧烷或者甲基乙烯基二硅氧烷；所述酰胺类化合物具体为二烯丙基甲酰胺、二烯丙基苯甲酰胺或四烯丙基苯二甲酰胺；所述马来酸酯类化合物具体为马来酸单乙酯、马来酸单烯丙酯或者马来酸二烯丙酯。这些物质为铂催化剂的抑制剂，通过铂催化剂/抑制剂配比和抑制剂种类可以控制催化剂的活性，即确保催化剂在常温下的硫化速度慢，在高温下硫化速度快。
实施例6：一种加成型有机硅液体涂覆材料的制备方法，在实施例1-5之一的加成型有机硅液体涂覆材料配方基础上，按如下步骤进行制备：
第一步，将乙烯基聚二甲基硅氧烷、环氧基聚二甲基硅氧烷、MQ硅树脂、白炭黑加入至捏合机中进行混炼，制得具有流动性的液体有机硅预混物。在第一步中，混合温度为50-150℃，混合时间为10-90min，转子转速60-180rpm。
第二步，将聚硅酸酯、增粘剂加入至第一步捏合机中，与液体有机硅预混物进行混炼，混合均匀后减压排气，制得具有流动性的液体有机硅基料。在第二步中，混合温度为30-80℃，混合时间为10-60min，转子转速为50-150rpm。
第三步，将第二步制得的液体有机硅基料、交联剂加入至机械搅拌器中进行混合，制得具有流动性的有机硅液体涂覆料A，常温储存。在第三步中，混合温度为25-50℃，混合时间为10-30min，转子转速为100-2000rpm。
第四步，将第二步制得的液体有机硅基料、催化剂加入至机械搅拌器中进行混合，制得具有流动性的有机硅液体涂覆料B，常温储存。在第四步中，混合温度为25-50℃，混合时间为10-30min，转子转速为100-2000rpm。
第五步，当要对纤维套管进行涂覆时，将第三步制得的有机硅液体涂覆料A和第四步制得的液体有机硅涂覆料B按照1:1的质量比例加入至机械搅拌器中进行混合，配成液体有机硅液体涂覆料。在第五步中，混合温度为25-50℃，混合时间为5-15min，转子转速为50-500rpm。
实施例7：一种纤维套管的涂覆处理方法，其特征在于：将纤维套管通过装有实施例6的有机硅液体涂覆料的容器，并且通过调控该容器底部设置的贯穿孔孔径大小来控制纤维套管表面的涂覆料厚度进而控制涂覆量；在高温热风通道中进行硫化，制得硅橡胶涂覆纤维套管，其中，热风温度为120-200℃，硫化时间为3-30min，其中，热风通道设置为三段温度加热，即第一段、第二段、第三段热风温度依次升高，以确保硅橡胶涂覆表面平整和涂覆层硫化充分。涂覆时间和硫化时间是通过纤维管牵引速度而实现控制的。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种加成型有机硅液体涂覆材料，其特征在于：按照质量份数计，其配方如下：
乙烯基聚二甲基硅氧烷 100份；
环氧基聚二甲基硅氧烷 5-50份；
MQ硅树脂 5-40份；
白炭黑 1-30份；
聚硅酸酯 0.5-10份；
增粘剂 0.5-10份；
交联剂 1-10份；
催化剂 0.1-1.5份；
其中：
所述乙烯基聚二甲硅氧烷为α, ω-二乙烯基聚二甲基硅氧烷，其粘度为500-15000mPa·s；
所述环氧基聚二甲基硅氧烷为α, ω-二环氧基聚二甲基硅氧烷，其粘度为500-15000mPa·s；
所述MQ硅树脂为甲基MQ硅树脂、乙烯基MQ硅树脂、甲基氢MQ硅树脂中的一种或两种以上按任意比例的混合物，其粘度为100-5000mPa•s，M/Q的摩尔比为0.1-1.5，其中，M表示单官能团Si-O单元，Q表示四官能团Si-O单元；
所述增粘剂为双-[γ-(三乙氧基硅)丙基-二硫化物]、乙烯基三甲氧基硅烷、γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷中的一种或两种以上按任意比例的混合物；
所述交联剂为线性甲基氢聚硅氧烷、环状甲基氢聚硅氧烷、含硅氢基的MQ硅树脂中的一种或两种以上按任意比例的混合物，其粘度为10-100mPa•s，SiH/SiVi的摩尔比为1.0-2.2；
所述催化剂为铂-乙烯基硅氧烷配合物、铂-炔烃基配合物、醇改性氯铂酸中的一种或两种以上按任意比例的混合物。
2.根据权利要求1所述的加成型有机硅液体涂覆材料，其特征在于：所述催化剂中，铂的质量份数为0.1%-1.5%。
3.根据权利要求2所述的加成型有机硅液体涂覆材料，其特征在于：针对催化剂，采用炔醇类化合物、多乙烯基聚硅氧烷、酰胺类化合物或马来酸酯类化合物来控制铂催化剂的硫化速度和改善涂覆材料的储存稳定性。
4.根据权利要求3所述的加成型有机硅液体涂覆材料，其特征在于：所述炔醇类化合物具体为炔烃氧基硅烷、含炔烃氧基聚硅氧烷、炔醇/丙烯酸酯并用或者炔醇/胺并用；所述多乙烯基聚硅氧烷具体为甲基乙烯基环四硅氧烷或者甲基乙烯基二硅氧烷；所述酰胺类化合物具体为二烯丙基甲酰胺、二烯丙基苯甲酰胺或四烯丙基苯二甲酰胺；所述马来酸酯类化合物具体为马来酸单乙酯、马来酸单烯丙酯或者马来酸二烯丙酯。
5.根据权利要求1所述的加成型有机硅液体涂覆材料，其特征在于：所述白炭黑为气相法白炭黑，其比表面积为100-500m2/g。
6.根据权利要求5所述的加成型有机硅液体涂覆材料，其特征在于：针对气相法白炭黑，采用六甲基二硅氮烷和水对气相法白炭黑进行表面疏水处理，其中，六甲基二硅氮烷为1-10份，水为0.5-4份。
7.根据权利要求1所述的加成型有机硅液体涂覆材料，其特征在于：所述聚硅酸酯为聚硅酸甲酯、聚硅酸乙酯、聚硅酸丙酯、聚硅酸丁酯中的一种或两种以上按任意比例的混合物。
8.一种加成型有机硅液体涂覆材料的制备方法，其特征在于：在权利要求1所述加成型有机硅液体涂覆材料配方基础上，按如下步骤进行制备：
第一步，将乙烯基聚二甲基硅氧烷、环氧基聚二甲基硅氧烷、MQ硅树脂、白炭黑加入至捏合机中进行混炼，制得具有流动性的液体有机硅预混物；
第二步，将聚硅酸酯、增粘剂加入至第一步捏合机中，与液体有机硅预混物进行混炼，混合均匀后减压排气，制得具有流动性的液体有机硅基料；
第三步，将第二步制得的液体有机硅基料、交联剂加入至机械搅拌器中进行混合，制得具有流动性的有机硅液体涂覆料A，常温储存；
第四步，将第二步制得的液体有机硅基料、催化剂加入至机械搅拌器中进行混合，制得具有流动性的有机硅液体涂覆料B，常温储存；
第五步，当要对纤维套管进行涂覆时，将第三步制得的有机硅液体涂覆料A和第四步制得的液体有机硅涂覆料B按照1:1的质量比例加入至机械搅拌器中进行混合，配成加成型液体有机硅液体涂覆料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：
在第一步中，混合温度为50-150℃，混合时间为10-90min，转子转速60-180rpm；
在第二步中，混合温度为30-80℃，混合时间为10-60min，转子转速为50-150rpm；
在第三步中，混合温度为25-50℃，混合时间为10-30min，转子转速为100-2000rpm；
在第四步中，混合温度为25-50℃，混合时间为10-30min，转子转速为100-2000rpm；
在第五步中，混合温度为25-50℃，混合时间为5-15min，转子转速为50-500rpm。
10.一种纤维套管的涂覆处理方法，其特征在于：将纤维套管通过装有权利要求8所述的加成型有机硅液体涂覆料的容器，并且通过调控该容器底部设置的贯穿孔孔径大小来控制纤维套管表面的涂覆料厚度进而控制涂覆量；在高温热风通道中进行硫化，制得硅橡胶涂覆纤维套管，其中，热风温度为120-200℃，硫化时间为3-30min，其中，热风通道设置为三段温度加热，即第一段、第二段、第三段热风温度依次升高，以确保硅橡胶涂覆表面平整和涂覆层硫化充分。
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