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有機硅與無機填料的完美結合--一文帶你了解陶瓷化硅橡膠

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發表時間:2018-12-11 09:11來源:金戈新材料

陶瓷化硅橡膠是一種近年來快速發展起來的耐火線纜和耐火密封材料,其在室溫下的性能與普通硅橡膠相同,但在火焰或高溫條件下能快速陶瓷化,形成致密而堅硬的多孔性陶瓷材料,起阻燃、耐火的作用,是一種新型熱防護復合材料。

1、作用機理


目前已研究過的可陶瓷化的聚合物有許多種,但最成功的還是陶瓷化硅橡膠。因為硅橡膠本身便擁有良好的熱穩定性,且燃燒時Si-O結構會轉變成連續、抗氧化、絕緣的網絡狀二氧化硅灰燼覆蓋在表面,不僅能阻止進一步燒蝕,而這些二氧化硅粉末可以為后續的陶瓷化提供物質基礎。


在燃燒時,陶瓷化防火硅橡膠中大量被添加進的成陶填料,會在高溫火焰中形成堅硬的連續陶瓷層,提高材料的耐火程度。雖然陶瓷層的形成有多種可能的方式,但最主要的是通過低熔點無機填料形成液相將分布在基體內的無機填料粘結起來。


當添加硅酸鹽類填料后,硅橡膠分解產生的二氧化硅會與硅酸鹽填料發生反應,在填料的邊緣形成“低共熔混合物”。此低共熔材料會在二氧化硅粒子和填料粒子之間起橋接作用,從而形成凝聚的陶瓷化產物。

陶瓷化硅橡膠.jpg

圖1   燃燒時填料會與基體的熱解產物二氧化硅產生共晶現象,形成一層堅硬的陶瓷層


2、特點

由于陶瓷化硅橡膠是半有機半無機材料,因此陶瓷化硅橡膠在常溫下具有與普通聚合物相同的性能,但遭遇高溫著火后形成的自支撐的陶瓷化產物又會有一定的強度,且能承受一定的沖擊力,足以抵抗1000℃明火的燒蝕并保持制品的完整性。由于陶瓷化硅橡膠無須像阻燃硅橡膠那樣添加大量的鹵素阻燃劑,因此燃燒時更加環保,不產生有毒氣體及煙霧。且隨著燒結溫度的升高,其體積電阻率也會跟著下降。


陶瓷化硅橡膠配方


1、生膠

主要使用甲基乙烯基硅橡膠(例如國產110-2硅橡膠),也可使用高溫硫化乙烯基封端的甲基乙烯基硅橡膠(例如國產110-4S硅橡膠)。這種硅橡膠可以用加成硫化體系硫化,硫化膠的撕裂強度高、壓縮永久變形低,適用于耐火硅橡膠密封條。若需要耐燒蝕性更好的材料,可選用苯基硅橡膠,也可選用甲基苯基乙烯基硅橡膠(例如國產120-2苯基硅橡膠)。苯基硅橡膠的燒蝕率約為乙烯基硅橡膠的1/2,因價格高昂,僅用于特殊用途。


2、補強填料

陶瓷化硅橡膠的補強填料采用白炭黑,主要是氣相法白炭黑,也用沉淀法白炭黑。經過表面處理的白炭黑可以有效改善硅橡膠硫化膠的強度,提高疏水性。


3、增量填料

增量填料對硅橡膠只起很弱的補強作用,一般與白炭黑并用,以調節硅橡膠硫化膠的硬度、改善膠料的工藝性能(如擠出性能)和降低成本。主要有硅微粉(例如FCJ系列)、硅藻土,氧化鋅(例如FZ系列)、鈦白粉、滑石粉和碳酸鈣等。用硅烷偶聯劑處理的硅微粉,不但提高了補強性,還能起燒結粘結劑的作用,對陶瓷化有貢獻。


4、阻燃體系


陶瓷化硅橡膠常用的無鹵阻燃劑有氫氧化鋁(例如FA系列)、氫氧化鎂(例如FM系列)和鉑阻燃劑。氫氧化鋁和氫氧化鎂在高溫下釋放水蒸氣,生成氧化鋁和氧化鎂,水的蒸發潛熱使燃燒溫度降低,兩者并用(例如FAM系列,氫氧化鋁/氫氧化鎂并用比為1/9~6/4)具有促進陶瓷化的特點,如表1所示。


5、結構化控制劑

為抑制含氣相法白炭黑補強的硅橡膠膠料的“結構化”,保證加工性能,需要添加結構化控制劑。一般使用羥基硅油(羥基質量分數為0.06~0.12)。


6、熱穩定劑

熱穩定劑一般采用氧化硒、氫氧化硒或辛酸硒,氧化鐵或辛酸鐵等。


7、硫化體系

甲基乙烯基硅橡膠和甲基苯基乙烯基硅橡膠均使用過氧化物硫化劑,品種視制品硫化工藝和設備的不同而選擇。


8、陶瓷化體系

陶瓷化體系主要包括成瓷填料以及助熔劑。目前陶瓷化硅橡膠添加的成瓷填料一般是層狀硅酸鹽類礦物填料,呈晶體結構,具有高熔點(高耐火度)和高燒結度,且具有優良的電絕緣性能,代表性品種有:云母、硅灰石、高嶺土等。助熔劑主要有玻璃添加劑、含硼化合物和氧化鋅(例如FZ系列)。


9、其他添加劑

根據需要,膠料中還可以添加著色劑、發泡劑等。


應用領域


1、防火電纜材料

陶瓷化硅橡膠最主要的應用是防火電纜材料。在應急電路系統中,電纜材料需要在火災發生的情況下保證電路的正常運行。陶瓷化硅橡膠防火電纜與傳統氧化鎂礦物絕緣防火電纜和云母帶繞包的耐火電纜相比,具有安全性好、施工方便、節約成本的優勢。

有機硅橡膠-2.jpg


2、防火墻及其他

陶瓷化硅橡膠用作防火墻時能夠在高溫火焰下形成耐火陶瓷層,防止火焰穿透,在飛機中使用阻燃陶瓷化硅橡膠防火墻能防止火焰在機艙中的蔓延。除此之外,它還有其他十分廣泛的應用,如防火門、防火板、建筑防火涂層、發泡防火高溫處理材料、火箭發射平臺高溫隔火層等。


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