填充不同无机填料的硅橡胶的机械性能和可瓷化性能外文翻译资料

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填充不同无机填料的硅橡胶的机械性能和可瓷化性能

Jinhe Wang^*, Chentao Ji, Yuantao Yan, Di Zhao, Liyi Shi

（上海大学纳米科技研究中心，上海，200444，中国）

摘要：耐火材料在许多邻域如航空航天，电子，建筑和电力传输中非常重要，它为我们提供生命和性能的保护。然而，绝大多数耐火材料都是不方便加工或成本高的无机材料。传统的聚合物一般在火灾下会燃烧殆尽，因此，他们不能提供这些焦炭足够的机械强度，以至于不会从受保护的基板上脱落。可瓷化聚合物同时具有耐火性能和良好的加工性能。本文研究了不同硅橡胶复合材料（SR-复合材料）热解前后的机械强度，并对如拉伸强度，断裂伸长率，热稳定性，体积变化和残余强度等性能进行了讨论。与其他硅橡胶复合材料相比，用五种不同的无机填料填充的硅橡胶复合材料表现出了优异的机械性能。例如其具有层状结构，高长径比，小颗粒尺寸和良好的表面有机改性，这是拉伸强度和断裂伸长率提高的原因。硅橡胶复合材料的热稳定性随填料的掺入而下降。同时研究了添加剂对残渣性能的影响。体积变化，压缩强度和扫描电子显微镜观察表明，玻璃料发挥是其它填料的物理粘合的主要作用，保持了热解过程在650℃时剩余形状的完整性，并协助陶瓷在950℃下的形成，这导致体积收缩率和残留物的压缩强度显著增加。

1.引言：防火材料可以减少火灾条件下的财产损失，确保火灾时公众安全。有机硅具有相对较低的热释放速率，与有机聚合物相比，对于外部热流具有最小灵敏度，并广泛应用于电缆应用。在某些应用如应急电源电路中，电缆需要在火灾条件下提供电路的完整性，以确保电力和通讯的维修。有机硅的热降解已经得到深入的研究，其良好的耐热性也被证实。然而，热解过程中形成的焦炭相当脆弱，限制了其在一些特殊电缆中的应用。我们期望在电缆应用的使用中，在着火条件下能够保持它们的原始形状，并且具有足够的机械强度以抵抗从被保护的基板上脱落的情况。通过掺入无机填料，分散剂和其它添加剂到硅橡胶聚合物基质中来制备可瓷化聚合物的耐火复合材料。可瓷化聚合物具有在室温下一般聚合物的良好的加工能力，并能在火灾或高于400℃的条件下形成坚硬的陶瓷壳，这种聚合物就是我们所期望的低成本耐火材料。

可瓷化硅橡胶复合材料的两种性质对于耐火电缆应用很重要：高温分解前硅橡胶的机械强度以及陶瓷残基形成的强度和完整性。对于热解之前的硅橡胶复合材料的机械强度已经有了许多研究，例如Zhenmei Jia等报道的内容，PDMS云母复合材料有接近PDMS二氧化硅复合材料的机械性能。硅橡胶与云母的增强可能是由具有高长径比的层状结构造成的。关于有机硅橡胶复合材料的陶瓷废渣性质也有许多研究，例如L.G.Hanu等发现所得陶瓷残余物的最终强度在空气中提升至1100℃，他们证实共晶反应和凝固过程中，受颗粒尺寸和填料的化学组成的影响，导致陶瓷残基的强度提高。硅橡胶复合材料的热解前后的机械性能都对其在耐火电缆的应用很重要，而很少有研究同时将这两种因素考虑在内。

在这篇文章中，我们使用五种不同的无机填料（高岭土，绢云母，膨润土，氧化铝和氢氧化铝）制备硅橡胶复合材料。对复合材料的机械和可瓷化聚合物的性能也进行了系统论述，同时研究了五种不同的无机填料对增强硅橡胶复合材料的差异。

1. 实验：

2.1.材料：

高岭土，绢云母，膨润土，氧化铝和氢氧化铝（ATH）是从上海高圈公司购买，它们的主要成分的化学组成是Al₄(Si₄O₁₀)·(OH)₈, KAl ₂(AlSi₃O₁₀)·(OH)₂, Al₂O₃·4(SiO₂)·H₂O, Al₂O₃, Al(OH)₃。从上海中

医药化工试剂有限公司获得的硅烷偶联剂G-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷（KH-570）。从瓦克化学公司购置了高温硫化的硅橡胶（商品名ELASTOSILreg;R401 HCR聚硅氧烷）用作聚硅氧烷基体。玻璃料通过常规熔化 - 淬冷方法制备。制备的玻璃料的软化点和化学组成总结在表1中。

Table 1

Chemical compositions (wt.%) and softening point ( C) of frits.

2.2.无机填料的处理：

100 g的无机填料和1.5 g六偏磷酸钠（SHMP）加入到200 mL的KH-570溶液中，溶剂是去离子水和乙醇混合物（重量比1:19）。最终所得溶液再和氧化锆珠（800克）一起放入立式砂磨机以2500 r/min的速度混合2 h。

2.3.硅橡胶复合材料的制备：

将有机硅基质，处理过的填料和硫化剂DBPH（ 2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷）在室温下的两辊开炼机里混合，通过压硫化机在170℃下用10 MPa的压力下模压15 min。当在固化过程完成后，压板被冷却到室温。硅橡胶复合材料的配方在表2中给出。具有不同软化点温度的（3：3：4）玻璃料被用来确保液相的逐渐形成。

Table2.硅胶符合材料的配方

2.4.样品热解：

圆柱形样品（直径为20 mm）的热解在马弗炉中进行。为了获得不同的温度的热解残余物，将样品从40 ℃以10 ℃/min的升温速度升温至650 ℃或950 ℃，并保持在650 ℃或950 ℃下30 min。不同的硅橡胶复合材料的残余物在这里我们分别表示为CR-1（高岭土），CR-2（绢云母），CR-3（膨润土），CR-4（氧化铝），CR-5（ATH）。

1. 表征：

研磨前后的无机填充剂粒度我们使用马尔文的Mastersizer3000（马尔文仪器有限公司，上海）来进行记录。热解前的硅橡胶复合材料的拉伸试验，根据中国国家标准GB/ T528-2009和哑铃标本62 mm截面进行测试。热分解残留物（样品热解前为高20 mmtimes;直径20 mm的圆柱）的压缩试验用Zwick仪器进行。该热解的样品由圆柱形传感器以1 mm/ min的速度挤压，并得到的压缩变形力和施加力。每个样品中的至少用五个试样进行了测试，并计算出平均值。

使用Q500设备在升温速率为10℃/分钟的氮气条件下（美国TA公司）进行热重分析（TGA），来研究硅橡胶复合材料的热稳定性。将称重约10 mg的样品的重量损失从40 ℃记录到700 ℃（SR-0记录到800 ℃）。

热解后的残余物的晶相组成，使用电压为40 kV和当前电流为35 mA的Dmax/2550 X射线衍射装置（日本Rigaku公司）进行鉴别。 同时在8/min的速率下得到从5至90（2q）的X射线衍射数据。

残留物热解后的微观形貌通过扫描电子显微镜（SEM，S4800，日立，日本）观察。注意残留物在观察前需要喷金处理。

通过测量圆柱体的直径和高，得到热解后体积变化。体积变化的定义如下：体积变化率=（样品体积-残留物体积）/样品体积。

残留物体积通过残留物直径和高计算出。样品体积表示原始样品的体积。

1. 结果与讨论：

4.1.无机填充剂的处理

无机填料对于硅橡胶加强，与其粒径，长径比（各向异性的颗粒），表面特性，粒子的机械特性，以及它们的浓度和取向紧密相关。在本文中，不同的填充物的浓度和表面处理是相同的，并在两次磨加工后没有明显的方向发生。因此，我们讨论了颗粒尺寸和层状填料的纵横比的影响。一般来说，当粒径减小和纵横比增加时，对于加强硅橡胶有好处。如表3中显示的，粒径（D50）减少到约1/3甚至比原始粒径更小，只有12.20 mm（D90）氧化铝没有明显的大颗粒粒径分布。图1给出不同填料的处理后的形貌。我们可以看到，高岭土，绢云母和膨润土仍显示层状结构，其中绢云母表现出较大的长径比，氧化铝和ATH是具有较小颗粒尺寸的不规则块。硅橡胶复合材料颗粒性质对于机械性能的影响将在下文进行讨论。

Table 3

Particle size distributions of the five fillers before and after the treatment.

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