CN112175395A - 一种陶瓷化硅橡胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于硅橡胶技术领域，尤其涉及一种陶瓷化硅橡胶，包括以下质量份数的组成：甲基乙烯基硅橡胶20～100份、甲基乙烯基苯基硅橡胶20～800份、气相白炭黑20～400份、铂阻燃剂0.5～25份、结构化控制剂2～40份、纳米氧化铈10～100份、纳米氧化铁20～100份、纳米氧化铝30～100份、氢氧化镁10～100份、氢氧化铝10～100份、氮化硼5～25份、矿物硅酸盐30～500份。另外，本发明还涉及一种陶瓷化硅橡胶的制备方法。相比于现有技术，本发明的陶瓷化硅橡胶集高导热、耐高温、阻燃等多种特性于一体，有利于在电线电缆行业安全应用。

Description

一种陶瓷化硅橡胶及其制备方法
技术领域
本发明属于硅橡胶技术领域，尤其涉及一种陶瓷化硅橡胶及其制备方法。
背景技术
陶瓷化硅橡胶是指在燃烧时候可以形成坚硬的外壳，从而保护被烧的电缆内部元器件不受损坏，保证正常的输电及电信号传输，但呈现以下缺点：
一，目前市场主流的陶瓷混炼胶不具备耐高温功能，难以持续经受高温工作环境，限制了陶瓷混炼胶的应用；
二，目前市场主流的陶瓷混炼胶不具备导热功能，难以将高热量导热散热出去，局部过热容易导致信号传输失真；
三，目前市场主流的陶瓷混炼胶在灼烧条件下难以持续正常工作，从而导致信号中断，不利于陶瓷电缆通过可靠性试验；
四，目前市场主流的陶瓷混炼胶在异常火灾情况下，维持正常工作时间较短，不利于电线电缆报警及正常信号传输。
有鉴于此，确有必要提供一种新的陶瓷化硅橡胶。
发明内容
本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种陶瓷化硅橡胶，集高导热、耐高温、阻燃等多种特性于一体，有利于陶瓷化硅橡胶在电线电缆行业安全应用。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种陶瓷化硅橡胶，包括以下质量份数的组成：甲基乙烯基硅橡胶20～100份、甲基乙烯基苯基硅橡胶20～800份、气相白炭黑20～400份、铂阻燃剂0.5～25份、结构化控制剂2～40份、纳米氧化铈10～100份、纳米氧化铁20～100份、纳米氧化铝30～100份、氢氧化镁10～100份、氢氧化铝10～100份、氮化硼5～25份、矿物硅酸盐30～500份。
作为本发明所述的陶瓷化硅橡胶的一种改进，所述甲基乙烯基硅橡胶的平均分子量为40万～80万，其中乙烯基的质量百分含量为0.03～8％。
作为本发明所述的陶瓷化硅橡胶的一种改进，所述甲基乙烯基苯基硅橡胶的平均分子量为40万～80万，其中苯基的质量百分含量≥40％。
作为本发明所述的陶瓷化硅橡胶的一种改进，所述气相白炭黑的比表面积为100～400m2/g。
作为本发明所述的陶瓷化硅橡胶的一种改进，所述铂阻燃剂包括铂化合物中的至少一种。如氯铂酸、铂络合物等。
作为本发明所述的陶瓷化硅橡胶的一种改进，所述结构化控制剂包括羟基硅油、二苯基硅二醇、烷氧基硅烷、低分子聚硅烷和硅氮烷中的至少一种。
作为本发明所述的陶瓷化硅橡胶的一种改进，所述纳米氧化铈的粒径D50为15～25nm，所述纳米氧化铁的粒径D50为15～25nm，所述纳米氧化铝的粒径D50为20～40nm。优选的，所述纳米氧化铈的粒径D50为20nm，所述纳米氧化铁的粒径D50为20nm，所述纳米氧化铝的粒径D50为30nm。
作为本发明所述的陶瓷化硅橡胶的一种改进，所述氢氧化镁的粒径D50为1～3μm，所述氢氧化铝的粒径D50为1～3μm，所述氮化硼的粒径D50为5～10μm。优选的，所述氢氧化镁的粒径D50为2μm，所述氢氧化铝的粒径D50为2μm，所述氮化硼的粒径D50为6μm。氮化硼的分子结构为六方结晶，单晶导热系数为300W/mk。
作为本发明所述的陶瓷化硅橡胶的一种改进，所述矿物硅酸盐包括硅灰石、硅酸钙、硅酸镁和纳米蒙脱土中的至少一种。
本发明的目的之二在于：提供一种说明书前文所述的陶瓷化硅橡胶的制备方法，包括以下步骤：
1)将甲基乙烯基硅橡胶、甲基乙烯基苯基硅橡胶、气相白炭黑、结构化控制剂、氢氧化镁、氢氧化铝、氮化硼和矿物硅酸盐投入捏合机，在40～60℃下捏合0.5～2h，得到胶料；
2)将胶料自然冷却24h；
3)将冷却后的胶料、铂阻燃剂、纳米氧化铈、纳米氧化铁和纳米氧化铝投入捏合机，搅拌成团，升温至160～200℃热炼1～3h，抽真空，出料即得陶瓷化硅橡胶。
相比于现有技术，本发明的有益效果包括但不限于：
1)在本发明中，采用甲基乙烯基硅橡胶和甲基乙烯基苯基硅橡胶两种生胶复配，一方面，构成较强的乙烯交联网络，进而使得硅橡胶具有较强的力学强度；另一方面，甲基乙烯基苯基硅橡胶中的苯基能改善硅橡胶的耐高温性能。另外，本发明添加的纳米氧化铈和纳米氧化铁是均高耐温粉体，可让硅橡胶具有更高的耐温性能，使得陶瓷化硅橡胶可在300度环境下保持力学强度10h，保护电线电缆内部器件，保证电信号传输。
2)在本发明中，矿物硅酸盐起着陶瓷化功能，灼烧时候形成坚固的陶瓷化外壳作用，从而保护被烧的电缆内部元器件不受损坏，保证正常的输电及电信号传输。
3)在本发明中，纳米氧化铝起着高导热与阻燃作用，氢氧化铝和氢氧化镁起到协助高导热与阻燃作用；氮化硼也起到高导热作用，从而使得本发明的硅橡胶具有高导热功能，导热系数可达2W/mk左右。
4)在本发明中，气相白炭黑相比于传统的沉淀法白炭黑具有更强的力学补充性能，可协助甲基乙烯基硅橡胶和甲基乙烯基苯基硅橡胶两种生胶补强，进一步改善硅橡胶的力学性能；另外，结构化控制剂与气相白炭黑发生化学反应形成化学键，防止硅橡胶结构化，防止降低其力学性能。
5)在本发明中，采用的是少量铂阻燃剂，而不是卤类阻燃剂或无机氧化物阻燃剂，其既能通过ROHS测试，又不影响陶瓷化硅橡胶的力学性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
一种陶瓷化硅橡胶，包括以下质量份数的组成：甲基乙烯基硅橡胶50份、甲基乙烯基苯基硅橡胶50份、气相白炭黑20份、氯铂酸(铂阻燃剂)0.5份、羟基硅油(结构化控制剂)2份、纳米氧化铈10份、纳米氧化铁20份、纳米氧化铝30份、氢氧化镁10份、氢氧化铝10份、氮化硼5份、硅灰石(矿物硅酸盐)30份。甲基乙烯基硅橡胶的平均分子量为40万～80万，其中乙烯基的质量百分含量为0.03％。甲基乙烯基苯基硅橡胶的平均分子量为40万～80万，其中苯基的质量百分含量为40％。气相白炭黑的比表面积为100～400m2/g。纳米氧化铈的粒径D50为20nm，纳米氧化铁的粒径D50为20nm，纳米氧化铝的粒径D50为30nm。氢氧化镁的粒径D50为2μm，氢氧化铝的粒径D50为2μm，氮化硼的粒径D50为6μm。氮化硼的分子结构为六方结晶，单晶导热系数为300W/mk。
该陶瓷化硅橡胶的制备方法，包括以下步骤：
1)将甲基乙烯基硅橡胶、甲基乙烯基苯基硅橡胶、气相白炭黑、羟基硅油、氢氧化镁、氢氧化铝、氮化硼和矿物硅酸盐投入捏合机，在40～60℃下捏合0.5～2h，得到胶料；
2)将胶料自然冷却24h；
3)将冷却后的胶料、铂阻燃剂、纳米氧化铈、纳米氧化铁和纳米氧化铝投入捏合机，搅拌成团，升温至160～200℃热炼1～3h，抽真空，出料即得陶瓷化硅橡胶。
实施例2
与实施例1不同的是：
本实施例的陶瓷化硅橡胶包括以下质量份数的组成：甲基乙烯基硅橡胶33份、甲基乙烯基苯基硅橡胶67份、气相白炭黑20份、氯铂酸(铂阻燃剂)0.6份、二苯基硅二醇(结构化控制剂)2份、纳米氧化铈12份、纳米氧化铁12份、纳米氧化铝32份、氢氧化镁12份、氢氧化铝10份、氮化硼6份、硅酸钙(矿物硅酸盐)35份。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例3
与实施例1不同的是：
本实施例的陶瓷化硅橡胶包括以下质量份数的组成：甲基乙烯基硅橡胶20份、甲基乙烯基苯基硅橡胶80份、气相白炭黑25份、氯铂酸(铂阻燃剂)0.8份、烷氧基硅烷2.4(结构化控制剂)份、纳米氧化铈12份、纳米氧化铁10份、纳米氧化铝33份、氢氧化镁10份、氢氧化铝12份、氮化硼5份、硅酸镁(矿物硅酸盐)40份。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例4
与实施例1不同的是：
甲基乙烯基硅橡胶中乙烯基的质量百分含量为4％。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例5
与实施例1不同的是：
甲基乙烯基硅橡胶中乙烯基的质量百分含量为8％。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例6
与实施例1不同的是：
甲基乙烯基苯基硅橡胶中苯基的质量百分含量为50％。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例7
与实施例1不同的是：
甲基乙烯基苯基硅橡胶中苯基的质量百分含量为60％。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例8
与实施例1不同的是：
甲基乙烯基硅橡胶中乙烯基的质量百分含量为4％。甲基乙烯基苯基硅橡胶中苯基的质量百分含量为50％。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例9
与实施例1不同的是：
甲基乙烯基硅橡胶中乙烯基的质量百分含量为4％。甲基乙烯基苯基硅橡胶中苯基的质量百分含量为60％。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例10
与实施例1不同的是：
甲基乙烯基硅橡胶中乙烯基的质量百分含量为8％。甲基乙烯基苯基硅橡胶中苯基的质量百分含量为50％。
其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例1
与实施例1不同的是：
未添加甲基乙烯基苯基硅橡胶。
其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例2
与实施例1不同的是：
甲基乙烯基苯基硅橡胶中苯基的质量百分含量为35％。
其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例3
与实施例1不同的是：
甲基乙烯基苯基硅橡胶中苯基的质量百分含量为90％。
其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例4
与实施例1不同的是：
未添加纳米氧化铈和纳米氧化铁。
其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例5
与实施例1不同的是：
未添加纳米氧化铝。
其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例6
与实施例1不同的是：
未添加氢氧化铝和氢氧化镁。
其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例7
与实施例1不同的是：
未添加氮化硼。
其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例8
与实施例1不同的是：
未添加矿物硅酸盐。
其余同实施例1，这里不再赘述。
性能测试
将实施例1～10和对比例1～8制得的硅橡胶以及市面上的硅橡胶1(传统混炼胶)、硅橡胶2(传统高温胶)、硅橡胶3(传统导热胶)和硅橡胶4(传统陶瓷化胶)进行性能测试，测得结果如表1～3所示。
表1硅橡胶在180℃以下工作的参数测试结果
Figure BDA0002705799070000081
Figure BDA0002705799070000091
表2硅橡胶在200～250℃工作的参数测试结果
Figure BDA0002705799070000092
Figure BDA0002705799070000101
表3混炼硅橡胶在300℃能承受工作时间
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
时间(h) 10 10 10 10 10
实施例6 实施例7 实施例8 实施例9 实施例10
时间(h) 10 10 11 10.5 10.5
对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 对比例5
时间(h) 6 7 10 8 9
对比例6 对比例7 对比例8
时间(h) 9 9 9
硅橡胶1 硅橡胶2 硅橡胶3 硅橡胶4
时间(h) 2 10 1.5 2
由以上测试结果可以看出：
1)由实施例1～10和对比例1～8以及硅橡胶1～4对比可以看出，采用本发明的配方所制成的陶瓷化硅橡胶具有很好的耐高温性能，在300℃环境下能工作至少10h，同时具有较高的导热系数。另外，采用本发明的配方所制成的陶瓷化硅橡胶机械强度大，阻燃等级可以达到94VO。
2)由实施例和对比例1～3对比可知，当体系中只含有甲基乙烯基硅橡胶这一种生胶时，其制得的混炼硅橡胶机械强度和耐高温性能较差，而当体系中含有甲基乙烯基苯基硅橡胶，但甲基乙烯基苯基硅橡胶中苯基的含量过少时，耐高温性能较差，又或者甲基乙烯基苯基硅橡胶中苯基的含量过多时，又会影响力学性能。特别的，实施例8制得的混炼硅橡胶机械强度和耐高温性能最优。
3)由实施例和对比例4对比可知，当配方中还添加纳米氧化铈和纳米氧化铁时，陶瓷化硅橡胶其耐高温性能还得到进一步改善。
4)由实施例和对比例5对比可知，当配方中还添加纳米氧化铝时，陶瓷化硅橡胶其导热性能可得到进一步改善。
5)由实施例和对比例6对比可知，当配方中还添加氢氧化铝和氢氧化镁时，陶瓷化硅橡胶其导热性能可得到进一步改善。因为，氢氧化铝和氢氧化镁可起到协助导热作用。
6)由实施例和对比例7对比可知，当配方中还添加氮化硼时，陶瓷化硅橡胶其导热性能可得到进一步改善。
7)由实施例和对比例8对比可知，当配方中还添加矿物硅酸盐时，陶瓷硅橡胶灼烧后陶瓷层紧密坚硬，不出现碳化、松散的问题，这是因为矿物硅酸盐起着陶瓷化功能，灼烧时候形成坚固的陶瓷化外壳作用，从而能保护被烧的电缆内部元器件不受损坏，保证正常的输电及电信号传输。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种陶瓷化硅橡胶，其特征在于，包括以下质量份数的组成：甲基乙烯基硅橡胶20～100份、甲基乙烯基苯基硅橡胶20～800份、气相白炭黑20～400份、铂阻燃剂0.5～25份、结构化控制剂2～40份、纳米氧化铈10～100份、纳米氧化铁20～100份、纳米氧化铝30～100份、氢氧化镁10～100份、氢氧化铝10～100份、氮化硼5～25份、矿物硅酸盐30～500份。
2.根据权利要求1所述的陶瓷化硅橡胶，其特征在于，所述甲基乙烯基硅橡胶的平均分子量为40万～80万，其中乙烯基的质量百分含量为0.03～8％。
3.根据权利要求1所述的陶瓷化硅橡胶，其特征在于，所述甲基乙烯基苯基硅橡胶的平均分子量为40万～80万，其中苯基的质量百分含量≥40％。
4.根据权利要求1所述的陶瓷化硅橡胶，其特征在于，所述气相白炭黑的比表面积为100～400m2/g。
5.根据权利要求1所述的陶瓷化硅橡胶，其特征在于，所述铂阻燃剂包括铂化合物中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的陶瓷化硅橡胶，其特征在于，所述结构化控制剂包括羟基硅油、二苯基硅二醇、烷氧基硅烷、低分子聚硅烷和硅氮烷中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的陶瓷化硅橡胶，其特征在于，所述纳米氧化铈的粒径D50为15～25nm，所述纳米氧化铁的粒径D50为15～25nm，所述纳米氧化铝的粒径D50为20～40nm。
8.根据权利要求1所述的陶瓷化硅橡胶，其特征在于，所述氢氧化镁的粒径D50为1～3μm，所述氢氧化铝的粒径D50为1～3μm，所述氮化硼的粒径D50为5～10μm。
9.根据权利要求1所述的陶瓷化硅橡胶，其特征在于，所述矿物硅酸盐包括硅灰石、硅酸钙、硅酸镁和纳米蒙脱土中的至少一种。
10.一种权利要求1～9任一项所述的陶瓷化硅橡胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将甲基乙烯基硅橡胶、甲基乙烯基苯基硅橡胶、气相白炭黑、结构化控制剂、氢氧化镁、氢氧化铝、氮化硼和矿物硅酸盐投入捏合机，在40～60℃下捏合0.5～2h，得到胶料；
2)将胶料自然冷却24h；
3)将冷却后的胶料、铂阻燃剂、纳米氧化铈、纳米氧化铁和纳米氧化铝投入捏合机，搅拌成团，升温至160～200℃热炼1～3h，抽真空，出料即得陶瓷化硅橡胶。
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