CN116218230A - 一种耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶及其制备方法，混炼硅橡胶的制备原料包括苯梯聚合物，该苯梯聚合物的结构式如式1所示：
Figure DDA0004047479180000011
其中，R1为三甲基硅基或二甲基乙烯基硅基，R2为乙烯基，nR2/nPh＝0‑1％。本发明的混炼硅橡胶引入苯梯聚合物作为制备原料，苯梯聚合物的结构类似梯子，氧化硅双链条并排组成的梯子形结构，苯基位于梯形结构侧边，具有环线型结构，乙烯基随机分布于苯梯主链上，在硫化时，乙烯基以化学键连的方式与橡胶体系紧密相连，能显著提高硅橡胶耐高温和耐蒸气老化性能，既能耐250℃高温，又能耐100℃饱和水蒸气，经过蒸烤循环老化168h后，混炼硅橡胶性能保留率高，弹性好，能有效满足蒸烤一体机等极端条件的密封要求。

Description

一种耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子复合材料技术领域，尤其涉及一种耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶及其制备方法。
背景技术
硅橡胶是由聚硅氧烷高分子和白炭黑混炼硫化而成，因其优异的耐候性、热稳定性、回弹性，而广泛用于电子电器、汽车配件等产品的密封。随着科技的发展，硅橡胶不仅需要耐250度以上高温，还需要耐高温蒸汽。例如，蒸烤一体机集蒸箱、烤箱于一体，既节省了空间，又规避了烤箱的痛点，作为厨房集成化产品中的翘楚。其中关键的密封件就是硅橡胶，需要在高温、高湿的环境下保持不降解、不开裂且机械性能不衰减，对硅橡胶要求极高。现有的耐热硅橡胶虽然可以耐250度以上高温，但是耐不了高温蒸汽，而常规的耐水蒸气胶无法满足蒸烤两用，经过蒸烤老化一周后出现降解，失去橡胶弹性，无法实现密封效果。
因此，越来越多的研发者着力研究硅橡胶的耐高温水蒸气性能，比如，中国专利CN202010214589.0公开了一种耐高温水蒸气高温混炼硅橡胶及其制备方法和应用，将纳米氧化铈、纳米二氧化钛、苯基乙烯基硅油作为协同耐热剂加入硅橡胶混炼体系中，以提高耐高温水蒸气性能。经200℃*4h二段硫化后，在150℃*7d蒸汽老化条件下保持了较好的性能。还比如，中国发明专利CN200910164383.5公开了一种耐酸气腐蚀耐高温室温硫化硅橡胶及其制造方法。将含有苯基的α,ω-二羟基聚硅氧烷引入室温硫化橡胶中，在经过高温和酸老化试验后，仍保持较好的力学强度和弹性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶及其制备方法，本发明制得的混炼硅橡胶既能耐250℃高温，又能耐100℃饱和水蒸气，经过蒸烤循环老化168h后，混炼硅橡胶性能保留率高，弹性好，能有效满足蒸烤一体机等极端条件的密封要求。
为实现上述目的，本发明提供一种耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶，其制备原料包括苯梯聚合物，所述苯梯聚合物的结构式如式1所示：
Figure BDA0004047479170000021
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其中，R1为三甲基硅基或二甲基乙烯基硅基，R2为乙烯基，nR2/nPh＝0-1％。
有的实施例中，nR2/nPh＝0，R2的位置由Ph(苯基)取代，其结构式如下所示：
Figure BDA0004047479170000022
作为示例地，nR2/nPh的值可为但不限于0.1-1％、0.5-1％、0.8-1％、0.1-0.5％、0.2-0.6％、0.4-0.8％，具体地，nR2/nPh的值可为但不限于0.2％，0.4％，0.6％，0.8％，1％。
较佳地，所述苯梯聚合物的分子量为5×103-1×105，该重均分子量可为但不限于5×103、8×103、1×104、5×104、1×105。
有的实施例中，苯梯聚合物的制备方法包括：
(1)300份乙醚、211份苯基三氯硅烷、0-1.6份乙烯基三氯硅烷混合均匀，搅拌情况下缓慢加入10-70份水，滴加完毕后继续搅拌1-5h使之充分水解缩合，整个过程保持温度在0-20℃；然后加入200-350份甲苯、二甲苯或其混合物，升温将乙醚分离；
(2)向步骤(1)中获得反应液中分批次加入适量水洗涤，直至洗出的水呈中性，升温，去除掉体系内微量的水分；
(3)加入0.2-2份KOH或NaOH或其混合物混合均匀后，通N2升温，230-260℃恒温0.5-2h，将产物冷却后溶于有机溶剂，加入1-3份乙烯基二甲基氯硅烷、三甲基氯硅烷或其混合物，将苯梯末端及开环处封端，获得乙烯基苯梯，即苯梯聚合物。
较佳地，按重量份数计，其制备原料包括100份乙烯基生胶、0.5份-10份的控制剂、0.01-0.1份脱模剂、0.5份-10份的苯梯聚合物、20份-45份的白炭黑和0.5-3份纳米氧化铈。
较佳地，乙烯基生胶采用乙烯基摩尔含量为0.03％-0.23％的乙烯基聚二甲基硅氧烷。
较佳地，乙烯基生胶采用分子量为50-100万的乙烯基聚二甲基硅氧烷。
较佳地，控制剂为六甲基二硅氮烷、羟基含量为4％-7％的二甲基硅油、环状三硅氨烷、羟基含量为2％-4％的侧链乙烯基硅油、二苯基硅二醇中的至少一种。在优选地实施例中，控制剂为六甲基二硅氮烷或二苯基硅二醇。
较佳地，脱模剂选自硬脂酸镁、硬脂酸钙、硬脂酸中的至少一种。
较佳地，白炭黑包括气相法白炭黑、沉淀法白炭黑。进一步地，白炭黑的比表面积为100～400㎡/g，作为示例地，白炭黑的比表面积可为但不限于100㎡/g、200㎡/g、300㎡/g、400㎡/g。
相应地，本发明还提供了一种耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶的制备方法，包括步骤：
将乙烯基生胶、控制剂、脱模剂加入真空密炼机中进行混合，然后加入白炭黑，捏合至胶料成团后，通N2，升温到150-200℃混炼一定时间，然后开启真空，抽真空炼胶1-3h，停止真空抽气、降温，加入纳米氧化铈，炼胶一定时间，然后下料、过滤，得到混炼硅橡胶。
较佳地，真空度为0.06MPa-0.08MPa。
较佳地，混炼时间为0.5-5小时。
较佳地，白炭黑分多次加入，例如，将白炭黑分2次、3次、4次、5次等加入。作为示例地，将白炭黑分5次加入，每次白炭黑的加入比例依次为30％、25％、20％、15％、10％。
本发明的有益效果有：
本发明耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶引入苯梯聚合物作为制备原料，苯梯聚合物的结构类似梯子，氧化硅双链条并排组成的梯子形结构，苯基位于梯形结构侧边，具有环线型结构，乙烯基随机分布于苯梯主链上，在硫化时，乙烯基以化学键连的方式与橡胶体系紧密相连，能显著提高硅橡胶耐高温和耐蒸气老化性能，既能耐250℃高温，又能耐100℃饱和水蒸气，经过蒸烤循环老化168h后，混炼硅橡胶性能保留率高，弹性好，能有效满足蒸烤一体机等极端条件的密封要求。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶，按重量份数计，其制备原料包括：100份乙烯基生胶、0.05份硬脂酸钙、43份亲水型气相法白炭黑(比表面积200㎡/g)、7份的羟基硅油(运动粘度为35cst，羟基含量为6％)、1份纳米氧化铈、0.5份苯梯聚合物(R1＝三甲基硅基，nR2/nPh＝1％)，
其中，乙烯基生胶采用乙烯基封端、分子量为64万、平均乙烯基摩尔分数为0.2％的甲基乙烯基硅橡胶生胶。
苯梯聚合物通过以下方法制得：
(1)将300份乙醚、211份苯基三氯硅烷、1.2份乙烯基三氯硅烷混合均匀，于搅拌情况下缓慢加入30份水，滴加完毕后继续搅拌4h使之充分水解缩合，整个过程保持温度在5℃，然后加入250份二甲苯，升温将乙醚分离；
(2)向步骤(1)中获得反应液中分批次加入适量水洗涤，直至洗出的水呈中性，升温，去除掉体系内微量的水分；
(3)加入0.5份NaOH混合均匀后，通N2升温，240℃恒温1h，将产物冷却后溶于有机溶剂，加入1份三甲基氯硅烷，将苯梯末端及开环处封端，获得苯梯聚合物。
其中，本实施例的混炼硅橡胶的制备方法，包括步骤：
将乙烯基生胶、硬脂酸钙、羟基硅油和苯梯聚合物加入真空密炼机中进行混合，然后分5次加入白炭黑，每次白炭黑的加入量依次为30％、25％、20％、15％、10％，温度为70℃，通氮气搅拌捏合，直至胶料成大团后，开始升温到160℃混炼1h，然后开启真空，在真空度为0.06MPa下，抽真空炼胶2.5小时，停止真空抽气，全开冷却水，将胶料温度降至100度以下，加入纳米氧化铈，氮气炼胶30分钟后，下料，过滤，得到混炼硅橡胶。
实施例2
一种耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶，按重量份数计，其制备原料包括：100份乙烯基生胶、0.05份硬脂酸镁、43份亲水型气相法白炭黑(比表面积200㎡/g)、8份六甲基二硅氮烷、1份纳米氧化铈、1份苯梯聚合物(R1＝三甲基硅基，nR2/nPh＝1％)，
其中，乙烯基生胶采用乙烯基封端、分子量为64万、平均乙烯基摩尔分数为0.2％的甲基乙烯基硅橡胶生胶。
苯梯聚合物与实施例1相同。
其中，本实施例的混炼硅橡胶的制备方法，包括步骤：
将乙烯基生胶、硬脂酸钙、六甲基二硅氮烷和苯梯聚合物加入真空密炼机中进行混合，然后分5次加入白炭黑，每次白炭黑的加入量依次为30％、25％、20％、15％、10％，温度为70℃，通氮气搅拌捏合，直至胶料成大团后，开始升温到160℃混炼1h，然后开启真空，在真空度为0.08MPa下，抽真空炼胶2.5小时，停止真空抽气，全开冷却水，将胶料温度降至100度以下，加入纳米氧化铈，氮气炼胶30分钟后，下料，过滤，得到混炼硅橡胶。
实施例3
一种耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶，按重量份数计，其制备原料包括：100份乙烯基生胶、0.05份硬脂酸钙、43份亲水型气相法白炭黑(比表面积200㎡/g)、8份六甲基二硅氮烷、1份纳米氧化铈、2.5份苯梯聚合物(R1＝三甲基硅基和乙烯基二甲基硅基，且摩尔比为3:1，nR2/nPh＝0.51％)，
其中，乙烯基生胶采用乙烯基封端、分子量为64万、平均乙烯基摩尔分数为0.2％的甲基乙烯基硅橡胶生胶。
苯梯聚合物请参考实施例1的方法制备。
其中，本实施例的混炼硅橡胶的制备方法，包括步骤：
将乙烯基生胶、硬脂酸钙、六甲基二硅氮烷和苯梯聚合物加入真空密炼机中进行混合，然后分5次加入白炭黑，每次白炭黑的加入量依次为30％、25％、20％、15％、10％，温度为70℃，通氮气搅拌捏合，直至胶料成大团后，开始升温到160℃混炼1h，然后开启真空，在真空度为0.06MPa下，抽真空炼胶2.5小时，停止真空抽气，全开冷却水，将胶料温度降至100度以下，加入纳米氧化铈，氮气炼胶30分钟后，下料，过滤，得到混炼硅橡胶。
实施例4
一种耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶，按重量份数计，其制备原料包括：100份乙烯基生胶、0.05份硬脂酸钙、43份亲水型气相法白炭黑(比表面积200㎡/g)、7份六甲基二硅氮烷、2份二苯基硅二醇、1份纳米氧化铈、5份苯梯聚合物(R1＝三甲基硅基和乙烯基二甲基硅基，且摩尔比为3:1，nR2/nPh＝0.51％)，
其中，乙烯基生胶采用乙烯基封端、分子量为64万、平均乙烯基摩尔分数为0.2％的甲基乙烯基硅橡胶生胶。
苯梯聚合物的制备参考实施例1。
其中，本实施例的混炼硅橡胶的制备方法，包括步骤：
将乙烯基生胶、硬脂酸钙、六甲基二硅氮烷、二苯基硅二醇和苯梯聚合物加入真空密炼机中进行混合，然后分5次加入白炭黑，每次白炭黑的加入量依次为30％、25％、20％、15％、10％，温度为70℃，通氮气搅拌捏合，直至胶料成大团后，开始升温到160℃混炼1h，然后开启真空，在真空度为0.06MPa下，抽真空炼胶2.5小时，停止真空抽气，全开冷却水，将胶料温度降至100度以下，加入纳米氧化铈，氮气炼胶30分钟后，下料，过滤，得到混炼硅橡胶。
对比例1
一种耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶，按重量份数计，其制备原料包括：100份乙烯基生胶、0.05份硬脂酸钙、43份亲水型气相法白炭黑(比表面积200㎡/g)、7份的羟基硅油(运动粘度为35cst，羟基含量为6％)、1份纳米氧化铈，
其中，乙烯基生胶采用乙烯基封端、分子量为64万、平均乙烯基摩尔分数为0.2％的甲基乙烯基硅橡胶生胶。
其中，本实施例的混炼硅橡胶的制备方法，包括步骤：
将乙烯基生胶、硬脂酸钙和羟基硅油加入真空密炼机中进行混合，然后分5次加入白炭黑，每次白炭黑的加入量依次为30％、25％、20％、15％、10％，温度为70℃，通氮气搅拌捏合，直至胶料成大团后，开始升温到160℃混炼1h，然后开启真空，在真空度为0.06MPa下，抽真空炼胶2.5小时，停止真空抽气，全开冷却水，将胶料温度降至100度以下，加入纳米氧化铈，氮气炼胶30分钟后，下料，过滤，得到混炼硅橡胶。
将实施例和对比例制得的混炼硅橡胶进行性能测试，结果如表1所示。然后经过老化性能测试后再对该混炼硅橡胶进行相关性能测试，结果如表2所示，老化性能测试条件为：250度烘烤2H，100度饱和蒸气蒸2H，暂停2H，依次循环测试168H。
表1性能测试结果
Figure BDA0004047479170000081
表2老化性能测试后的性能测试结果
Figure BDA0004047479170000091
从表1和表2的试验数据可知，加入苯梯聚合物作为制备原料，能显著提高混炼硅橡胶的耐高温和耐蒸气老化性能，既能耐250℃高温，又能耐100℃饱和水蒸气，经过蒸烤循环老化168h后，混炼硅橡胶性能保留率高，弹性好，能有效满足蒸烤一体机等极端条件的密封要求。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶，其特征在于，制备原料包括苯梯聚合物，该苯梯聚合物的结构式如式1所示：
Figure FDA0004047479160000011
其中，R1为三甲基硅基或二甲基乙烯基硅基，R2为乙烯基，nR2/nPh＝0-1％。
2.如权利要求1所述的耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶，其特征在于，nR2/nPh＝0，R2的位置由Ph取代，结构式如下：
Figure FDA0004047479160000012
3.如权利要求1所述的耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶，其特征在于，苯梯聚合物的分子量为5×103-1×105。
4.如权利要求1所述的耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶，其特征在于，按重量份数计，其制备原料包括100份乙烯基生胶、0.5份-10份的控制剂、0.01-0.1份脱模剂、0.5份-10份的苯梯聚合物、20份-45份的白炭黑和0.5-3份纳米氧化铈。
5.如权利要求1所述的耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶，其特征在于，乙烯基生胶采用乙烯基摩尔含量为0.03％-0.23％的乙烯基聚二甲基硅氧烷。
6.如权利要求1所述的耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶，其特征在于，控制剂为六甲基二硅氮烷、羟基含量为4％-7％的二甲基硅油、环状三硅氨烷、羟基含量为2％-4％的侧链乙烯基硅油、二苯基硅二醇中的至少一种。
7.如权利要求1所述的耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶，其特征在于，脱模剂选自硬脂酸镁、硬脂酸钙、硬脂酸中的至少一种。
8.一种如权利要求3所述的耐高温和耐水蒸气老化的混炼硅橡胶的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将乙烯基生胶、控制剂、脱模剂加入真空密炼机中进行混合，然后加入白炭黑，捏合至胶料成团后，通N2，升温到150-200℃进行混炼，然后开启真空，抽真空炼胶1-3h，停止真空抽气、降温，加入纳米氧化铈，炼胶，然后下料、过滤，得到混炼硅橡胶。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，真空度为0.06MPa-0.08MPa。
10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，白炭黑分多次加入。
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