CN114085533A - 高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料及其制备方法，该橡胶材料组分包括：基材、纳米银粒子、补强材料、导电填料和其他助剂，其他助剂包括偶联剂、导电促进剂、硫化剂、色胶。本发明的橡胶材料同时兼顾高强度和20MHz～18GHz宽频段的屏蔽效能功能；其使用温度在‑55℃～160℃之间，拉伸强度≥5MPa、压缩永久变形≤30％、体积电阻率≤0.002Ω·cm；本发明材料工艺性优良，能够进行复杂截面的橡胶制品生产，产品同时兼顾水密、气密密封和电磁屏蔽效能功能。

Description

高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料及其制备方法
技术领域
本发明属于特种橡胶技术领域，具体涉及一种高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料。
背景技术
随着我国科技和国防工业现代化水平的不断提高，机载设备要求技术含量更高，功能更全。由于其特殊的作战需求，防止电子设备之间的相互干扰，相对与传统飞机其使用功能上具有一定的电磁屏蔽的特殊性，对其机体所采用的橡胶密封材料的性能和可靠性较以往有着更加苛刻的要求。现阶段制备电磁屏蔽材料的基体橡胶材料，硅(氟硅)橡胶硬度在20邵尔A时，强度只有5～6MPa，同时要获得高导电性能的导电橡胶材料，需要加入大量的导电填料，而随着填充量的增加，导电粒子之间的硅橡胶含量越来越少，硅橡胶自身的连续相受到减弱乃至破坏，从而使导致硬度呈直线增加，加工性下降，其力学强度太低，压缩永久变形大，拉伸强度只有3MPa，拉断伸长率只有100％，且工艺性能差，不能满足高强度、高回弹电磁屏蔽橡胶材料和制备复杂截面的电磁屏蔽橡胶密封制备。因此，需研制出一种兼顾高强度以及宽屏蔽下高屏蔽效能的橡胶材料，满足航空航天兵器船舶机载设备的气密、水密密封及电磁防护功能。
发明内容
本发明提供了一种高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料，解决现有技术中屏蔽橡胶材料屏蔽性能和力学强度无法兼顾的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料，所述橡胶材料组分包括：基材、纳米银粒子、补强材料、导电填料和其他助剂，其他助剂包括偶联剂、导电促进剂、硫化剂、色胶；
各组分的质量百分比范围是：基材25％-30％，纳米银粒子1％-2％，补强材料5％-10％，导电填料60％-70％，其他助剂1％-5％，上述组分的质量百分比之和为 100％。
进一步的，所述基材为端乙烯基甲基乙烯基硅橡胶。
进一步的，所述补强材料包括结构控制剂、白炭黑。
进一步的，所述导电填料包括碳纳米管镀镍镀银、二氧化硅镀镍镀银、镀镍镀银玻璃珠的一种或几种的组合。
进一步的，所述偶联剂选用A151硅烷偶联剂，所述导电促进剂选用戊二酸或丙二酸，所述硫化剂选用2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧基己烷过氧化物硫化剂。
进一步的，所述橡胶材料的具体配比方案如下：
Figure BDA0003292269690000011
Figure BDA0003292269690000021
高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：以八甲基环四硅氧烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷为起始原料，采用硅醇盐为引发剂，在90～110℃下开环聚合过程中加入纳米银粒子制备含纳米银粒子的端乙烯基甲基乙烯基硅橡胶；
步骤二：使用双辊开炼机，将辊距调至3～5mm，在辊温≤55℃下加入含纳米银粒子的端乙烯基甲基乙烯基硅橡胶；
步骤三：双辊开炼机依次加入白炭黑和结构控制剂，混炼混匀；
步骤四：将步骤二混炼好的胶料置于搪瓷盘放入烘箱进行(200±5)℃×1h 热处理；
步骤五：使用双棍开炼机，将辊距调到4～6mm，在辊温≤55℃下加入步骤三处理后的胶料，重分返炼后，然后依次加入导电填料、偶联剂、导电促进剂、硫化剂和色胶，混炼均匀下片；
步骤六：下片停放24小时，即为橡胶材料成品。
进一步的，所述偶联剂选用A151硅烷偶联剂，所述导电促进剂选用戊二酸或丙二酸，所述硫化剂选用2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧基己烷过氧化物硫化剂。
进一步的，所述导电填料包括碳纳米管镀镍镀银、二氧化硅镀镍镀银、镀镍镀银玻璃珠的一种或几种的组合。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明的橡胶材料同时兼顾高强度和20MHz～18GHz宽频段的屏蔽效能功能；其使用温度在-55℃～160℃之间，拉伸强度≥5MPa、压缩永久变形≤30％、体积电阻率≤0.002Ω·cm；
2.本发明材料工艺性优良，能够进行复杂截面的橡胶制品生产，产品同时兼顾水密、气密密封和电磁屏蔽效能功能。
附图说明
图1是本发明制样成型工艺的模具结构示意图。
图2是本发明橡胶材料的屏蔽效能试验示意图。
图3是本发明含纳米银粒子的端乙烯基甲基乙烯基硅橡胶生胶分子结构；
图4是含纳米银粒子端乙烯基甲基乙烯基硅橡胶生胶工艺路线；
图5是含纳米银粒子端乙烯基聚甲基乙烯基硅氧烷FTIR谱图；
图6是含纳米银粒子端乙烯基聚甲基乙烯基硅氧烷1H NMR谱图；
图7是高强度宽频段高屏蔽效能橡胶材料SEM图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
采用含纳米银粒子的端乙烯基甲基乙烯基硅橡胶为主体材料，主要目的是乙烯基封端使橡胶在硫化过程中起到扩链增强的作用，提高胶料物理机械性能，同时在生胶合成过程中加入纳米银粒子，使纳米银粒子均匀分散在生胶中，参见图3，形成导电网络布局，从而有效降低阈值，减少导电填料的添加量，提高工艺性能。
选取碳纳米管镀镍镀银、二氧化硅镀镍镀银或镀镍镀银玻璃珠导电填料并用，同时加入戊二酸或丙二酸导电促进剂协同作用，在不降低导电性能的前提的提高导磁性能，达到最佳的导电导磁性能，从而既能满足18GHz高频下的高屏蔽效能，也能满足20MHz低频下的高屏蔽效能，综合满足了20MHz～18GHz 宽频段的高屏蔽效能。
选用A151硅烷偶联剂提高导电填料与硅橡胶的结合力，进一步提高力学性能。
选取2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧基己烷过氧化物硫化剂，建立硅橡胶的化体系，获得压缩回弹性能更好、强度更高、导电性能更好的导电硅橡胶材料。
在本实施例中，橡胶的配方用料及各材料质量比见下表1。
Figure BDA0003292269690000031
Figure BDA0003292269690000041
表1
下面介绍本实施例中橡胶材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤一：参见图4，以D4(八甲基环四硅氧烷)、计算量的D4vi(四甲基四乙烯基环四硅氧烷)为起始原料，采用硅醇盐为引发剂，在90～110℃下开环聚合过程中加入纳米银粒子制备含纳米银粒子的端乙烯基甲基乙烯基硅橡胶；
步骤二：使用双辊开炼机，将辊距调至3～5mm，在辊温≤55℃下加入含纳米银粒子的端乙烯基甲基乙烯基硅橡胶；
步骤三：双辊开炼机依次加入白炭黑和结构控制剂，混炼混匀；
步骤四：将步骤二混炼好的胶料置于搪瓷盘放入烘箱进行(200±5)℃×1h 热处理；
步骤五：使用双棍开炼机，将辊距调到4～6mm，在辊温≤55℃下加入步骤三处理后的胶料，重分返炼后，然后依次加入导电填料、偶联剂、导电促进剂、硫化剂和色胶，混炼均匀下片；
步骤六：下片停放24小时后，用平板硫化机硫化制样测试性能。
下面介绍本实施例中橡胶材料的制样工艺及产品成型工艺，具体步骤如下：
步骤一：半成品准备
将胶料在双辊开炼机上压成所需厚度的胶片(2～2.2mm)，然后按照试样模具型腔尺寸裁剪半成品，用0.2mm厚的塑料薄膜进行隔离保护、待用；参见图1，模具包括上模1、下模2和定位销3，上模1和下模2之间形成型腔4。
步骤二：硫化
a.将模具预热至(160±5)℃，在模具型腔内均匀喷涂两遍脱模剂，将脱模剂在160℃环境下固化5分钟后待用；
b.将准备好的半成品装入模腔内，合模打压进行硫化；
c.设定平板硫化机温度和压力，硫化条件如下：
硫化温度为(160±5)℃；
硫化压力为(11～15)MPa；
硫化时间为(15±1)min；
d.硫化结束后，泄压，打开模具，取出样品。
下面介绍本实施例中橡胶材料的试验及结果：
1、常规试验
常规试验包括：邵氏A硬度，测试方法为ASTM D 2240；拉断强度、拉断伸长率，测试方法为ASTM D 412；硫化橡胶密度，测试方法为ASTM D 792，撕裂强度，测试方法为ASTM D624；体积电阻，测试方法为ASTM D991；该系列试验所用试样为厚度(2±0.2)mm标准试片。
2、屏蔽性能试验
电磁屏蔽效能试验，采用经上述方法制的厚度(2±0.2)mm的样品按照 MIL-DTL-83528的方法进行电磁屏蔽效能试验，屏蔽方法参见图2所示。
经本实施例所述配方及制备方法制得的高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料性能指标及实测数据如下表2所示。
Figure BDA0003292269690000051
表2
将溴化钾压片，把样品涂在澳化钾片上，采用德国Broker公司的Broker Tensor27型红外光谱仪对样品进行分析。频率收集范围为400-4000cm-1，分辨率为4cm-1。根据图5光谱中吸收峰的位置、强度和形状，确定了端乙烯基封端的聚甲基乙烯基硅橡胶的端乙烯基官能团信息。
采用德国BrukerAVANCE 400MHz超导核磁共振波谱仪，以CDC13为溶剂，在25℃下测定1HNMR。根据图6确定了纳米银粒子在端乙烯基聚甲基乙烯基硅氧烷分子链的分布。
按照高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料的配方及配合工艺，对混炼的电磁屏蔽硅橡胶进行扫描电镜的测试，可以表征出导电填料在硅橡胶基体中的分散性。根据图7反映了导电填料在含纳米银粒子端乙烯基甲基乙烯基硅橡胶中的均匀分散，确保了工艺、机械性能及导电性能的的最佳化。
实施例2：
与实施例1不同的是，在本实施例中，橡胶的配方用料及各材料质量比见下表3。
Figure BDA0003292269690000052
Figure BDA0003292269690000061
表3
实施例3：
与实施例1不同的是，在本实施例中，橡胶的配方用料及各材料质量比见下表4。
Figure BDA0003292269690000062
表4
以上为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，本发明可以用于类似的产品上，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (9)

1.高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料，其特征在于，所述橡胶材料组分包括：基材、纳米银粒子、补强材料、导电填料和其他助剂，其他助剂包括偶联剂、导电促进剂、硫化剂、色胶；
各组分的质量百分比范围是：基材25％-30％，纳米银粒子1％-2％，补强材料5％-10％，导电填料60％-70％，其他助剂1％-5％，上述组分的质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料，其特征在于，所述基材为端乙烯基甲基乙烯基硅橡胶。
3.根据权利要求1或2所述高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料，其特征在于，所述补强材料包括结构控制剂、白炭黑。
4.根据权利要求3所述高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料，其特征在于，所述导电填料包括碳纳米管镀镍镀银、二氧化硅镀镍镀银、镀镍镀银玻璃珠的一种或几种的组合。
5.根据权利要求4所述高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料，其特征在于，所述偶联剂选用A151硅烷偶联剂，所述导电促进剂选用戊二酸或丙二酸，所述硫化剂选用2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧基己烷过氧化物硫化剂。
6.根据权利要求5所述高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料，其特征在于，所述橡胶材料的具体配比方案如下：
Figure RE-FDA0003460648980000011
7.高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：以八甲基环四硅氧烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷为起始原料，采用硅醇盐为引发剂，在90～110℃下开环聚合过程中加入纳米银粒子制备含纳米银粒子的端乙烯基甲基乙烯基硅橡胶；
步骤二：使用双辊开炼机，将辊距调至3～5mm，在辊温≤55℃下加入含纳米银粒子的端乙烯基甲基乙烯基硅橡胶；
步骤三：双辊开炼机依次加入白炭黑和结构控制剂，混炼混匀；
步骤四：将步骤二混炼好的胶料置于搪瓷盘放入烘箱进行(200±5)℃×1h热处理；
步骤五：使用双棍开炼机，将辊距调到4～6mm，在辊温≤55℃下加入步骤三处理后的胶料，重分返炼后，然后依次加入导电填料、偶联剂、导电促进剂、硫化剂和色胶，混炼均匀下片；
步骤六：下片停放24小时，即为橡胶材料成品。
8.根据权利要求7所述高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料的制备方法，其特征在于，所述偶联剂选用A151硅烷偶联剂，所述导电促进剂选用戊二酸或丙二酸，所述硫化剂选用2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧基己烷过氧化物硫化剂。
9.根据权利要求8所述高强度宽频段高屏蔽效能硅橡胶材料的制备方法，其特征在于，所述导电填料包括碳纳米管镀镍镀银、二氧化硅镀镍镀银、镀镍镀银玻璃珠的一种或几种的组合。
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