硅橡胶性能及其研究进展

硅橡胶性能及其研究进展

付绍辉

中山优感科技有限公司528400

摘要：硅橡胶分子链结构的特殊性，使其具有优异的力学性能、耐热性、耐寒性、耐候性、阻燃性等，广泛应用于各个领域；随着科技的发展对硅橡胶性能的要求也越来越高。本文简要阐述了硅橡胶的相关概念及其性能，探讨了硅橡胶的进展及应用。

关键词：硅橡胶；性能；进展

前言：硅橡胶通常是指分子主链由Si原子和O原子交替构成基本骨架，各种有机基团作为线性聚硅氧烷的侧基，其中侧基通常有甲基、苯基、乙基和乙烯基等。因硅橡胶分子链的特殊结构，使其具有各种优良的性质特性等，广泛应用于国防、汽车、农业、能源、航天航空、化工、电子电气、建筑、医疗和运输等领域。

1硅橡胶简介

硅橡胶（SR）是以Si-O单位为主链，以有机基团为侧基的线性聚合物。它是典型的半无机半有机聚合物，既具有无机高分子的耐热性，又具有有机高分子的柔顺性。它的一般结构式为：

式中，R、R1、R2为有机基团，如甲基、苯基、乙烯基、三氟丙基等，m、n为聚合度，可以在很宽的范围内变化。为了说明硅橡胶的化学结构，表1列出了键长和键角的近似值，表2比较了一些原子同硅原子键能与这些原子同碳原子键接时的键能。可以看出，Si-O键比C-C键键能高出很多，因而，硅橡胶与通用橡胶相比具有更高的稳定性，如耐热性、耐候性、电绝缘性和化学稳定性。

2硅橡胶的性能

2.1力学性能

硅橡胶分子间作用力小、易滑移，冷态下可慢速流动，其拉伸强度和撕裂强度都很低，纯硅橡胶硫化胶的拉伸强度只有0.35MPa左右，补强后才有实用价值。硅橡胶的拉伸强度、撕裂强度和拉断伸长率会随工作温度的升高而均呈下降趋势，且温度越高趋势越加明显。硅橡胶的补强通常采用机械混合法，将补强填料加入到聚合物体系中，填料表面的硅醇基与聚合物分子通过氢键相结合，起到补强作用；然而对硅橡胶最具补强效果的气相法白炭黑极易集聚，颗粒难以均匀分散，在具有较高相对分子质量的聚二甲基硅氧烷基体中，白炭黑颗粒的分散更加困难，极易导致宏观相物质的分离现象发生，影响硅橡胶的力学性能和耐热性能。

2.2耐热性

硅橡胶的Si-O键键能比一般橡胶的C-C键键能高，这就决定了聚硅氧烷具有优异的耐热稳定性。硅橡胶可在-100℃～250℃下长期使用，其生胶的耐热性能要比其他合成橡胶优异得多，即使在配方设计时对耐热性不做专门考虑，其硫化胶通常也可耐180℃～200℃的高温。硅橡胶在高温下的使用寿命测试结果见表3。

表3：硅橡胶在高温下的使用寿命

当温度超过250℃时，硅橡胶生胶的热老化速度加快，力学性能显著降低。从表1可看出，硅橡胶在300℃以上使用时寿命大大降低，不能满足使用要求。因此，开发能在300℃以上长期使用的硅橡胶，成为硅橡胶研究领域的一个重要课题。要想提高硅橡胶的耐热性，可通过改变其侧链基团结构，也可通过在分子主链结构中引入大体积结构（如芳撑或芳醚撑结构等），也可通过加入耐热添加剂（如金属氧化物）等方法来实现。

2.3耐寒性

硅橡胶具有优异的耐寒性。硅橡胶的耐低温性与其玻璃化转变温度和低温结晶性有关。硅橡胶的玻璃化转变温度取决于聚硅氧烷大分子链中有机基团的属性，特别是其体积和内聚能。由于硅橡胶具有低温结晶性，一般硅橡胶在-30℃时力学性能会发生变化，且随温度的降低力学性能有所下降。改善硅橡胶的耐寒性可通过共聚改性法来实现，在聚二甲基硅氧烷分子链上引入大体积基团和适当改性链节来调节硅橡胶的玻璃化温度，有效地抑制了结晶过程，提高了耐低温性能。乙基硅橡胶除了一般甲基硅橡胶所具有的特殊性能外，还具有耐超低温性能，乙基硅橡胶中硅氧烷链节摩尔分数为30%时不出现结晶，耐超低温性能优异。

2.4耐候性

硅橡胶分子主链结构中无不饱和键，在天候和臭氧环境中不易受到攻击，而且Si-O键的键能比C-C键的大，加之Si-O-Si键对氧、臭氧及紫外线等十分稳定，因而无需加入任何添加剂，即具有优良的耐候性。在臭氧环境中发生电晕放电时，一般橡胶很快老化，而对硅橡胶影响不大。硅橡胶长时间暴露在紫外线及风雨中，其力学性能变化不大，经户外曝晒试验数十年，末发现裂纹或降解发粘等老化现象发生。

2.5阻燃性

普通硅橡胶自身具有一定的阻燃性，但不具有难燃性及自熄性，因而限制了在航空航天、汽车制造、电子电器及对硅橡胶阻燃性要求较高的领域中应用，因此研究硅橡胶的阻燃性具有实际意义。要使硅橡胶具有阻燃性，需抑制其裂解过程中产生的游离基，阻止氧气向燃烧表面扩散，在燃烧表面快速形成稳固阻隔层。因此，提高硅橡胶阻燃性可从添加阻燃剂（耐高温阻燃剂）、提高热分解温度、增加燃烧残渣、减缓可燃气体产生的速度等方面考虑。

3硅橡胶的研究进展及应用探讨

3.1医疗器械材料领域

随着化学工业的发展，医用硅橡胶也取得了长足的进步。主要用于人工器官和医疗器械的临床制备。这种高分子材料在物理力学性能和安全性方面满足医用材料的要求。因此，其在医学领域的应用范围正在逐步扩大。硅橡胶在使用过程中与活体组织接触。它不仅可以作为人体器官的替代品，还可以用于疾病的诊断、治疗和预防。医用硅橡胶不用于其他类型的硅橡胶产品，其无毒无害的性能非常重要。植入人体后与组织有很好的相容性，不会产生毒性反应和其他副作用。硅橡胶是目前医用高分子材料中应用最广泛的材料之一，在很大程度上可以满足不同需求的产品特性。因为硅橡胶的安全性非常可靠，即使长时间接触人体组织，也不会影响其物理和机械性能。总而言之，硅橡胶在医学领域具有良好的应用前景。

3.2食品卫生安全领域

硅橡胶主要以食品模型或制造模具的形式用于食品卫生领域。硅橡胶具有高强度的物理机械性能，其拉伸强度可以达到每毫米35牛顿以上，并且具有良好的透明度。它可以被适当地加工以形成液体硅橡胶，该液体硅橡胶可以通过注射成型。硅橡胶在高温下固化，具有优异的回弹弹性。它可用于制作多种食品生产模具。硅橡胶在食品卫生和安全领域是无毒、无味、高度透明的，可以均匀复制。硅橡胶性能的制模工艺简单，脱模工艺简单，不会对硅橡胶模具中的其他物体造成损坏。食品生产的前提是安全。硅橡胶无味无毒，在食品卫生和安全领域具有很强的优势。

3.3电子电气工业领域

硅橡胶应用于电子电气工业领域主要在于其有高度的粘结性能，可以在电子产品的灌胶、密封方面发挥重要作用。硅橡胶在使用过程中与空气中的水蒸气发生交联作用，产生一定量的小分子物质，最后经过硫化程序形成高分子弹性复合物。产物具有良好的电气性能，无论应用于金属材料或者是非金属材料都有着优异的粘结性，并且硅橡胶可以对很多种的电子元件起到密封作用，在这一操作流程中，不会对所处环境造成污染，完全符合环保相关要求，其绝缘性又为加工人员的安全提供一定的保障。

3.4用作导电硅胶领域

随着科研的不断深入，在许多领域中，导电硅橡胶的应用日益扩大，最主要和大规模的应用是制造能够消除静电荷的制品。防静电硅橡胶做成的胶辊广泛应用于办公室自动化设备上，如复印机、打印机等。纸张在传送过程中，因为摩擦而使胶辊表面带静电，造成复印效果不佳。飞机在高空飞行时，与空气摩擦会产生静电并聚集在机体上，为确保飞机安全着陆，必须迅速消除静电。导电硅橡胶也广泛应用于煤矿、石油、化工、纺织和汽车等工业部门的抗静电防护。

4结语

硅橡胶具有力学性能、耐热性、耐寒性、耐候性、阻燃性等多种性能。在挑选硅橡胶材料时，一定要根据具体需要选择性能合适，性价比高的材料，从而满足人们不同的需求。

参考文献：

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