二氧化硅对酸性透明硅酮硅橡胶的性能探究

韦远怡 陈炳耀 彭小琴 潘 聪 李志林

广东三和控股有限公司 广东中山 528325

摘 要：本试验研究了补强填料气相二氧化硅的比表面积、工艺份量、干燥效果及生产工艺顺序对酸性透明硅酮胶性能的影响。研究发现，选用挥发量0.5%、比表面积150m/m

2 /g的气相二氧化硅30份，工序顺序上需先混合107硅橡胶与甲基硅油，然后依次加入甲基三乙酰氧基硅烷和气相二氧化硅，粉体混合均匀后加入醋酸锡，所制得的酸性硅酮密封胶外观光滑细腻、触变性能优异，拉伸强度、拉断伸长率等均符合GB/T14683-2017《硅酮和改性硅酮建筑密封胶》标准。

关键词：气相二氧化硅，比表面积，挥发量，酸性透明硅酮胶前言

气相二氧化硅又称气相白炭黑，是卤硅烷经过氢氧火焰高温后水解而成的一种超微细纳米级粉末原料。它不仅具有粒径小、比表面积大、表面活性高等化学特性，而且具备良好的分散性、触变性和增稠、补强效果。它不仅是室温硫化硅橡胶最好的补强填料，而且作为无机纳米粉体材料被广泛运用到工业中。虽然酸性硅酮密封胶配方中添加适当的气相二氧化硅，可有效地增强密封胶拉伸强度、拉断伸长率等力学性能，迅速发挥出优异的补强效果，但气相二氧化硅比表面积、挥发量等性能选择不当，可能造成密封胶贮存周期缩短、外观粗糙等问题，且过量添加还会造成胶液增稠、挤出性差等施工问题。

1试验部分

1.1 主要原料

黏度 50000MPa·s 107 胶，蓝星公司江西星火有机硅厂；黏度 350MPa·s 二甲基硅油，道康宁有机硅有限公司；A-150、A-200、A-250、A-300、A-380 气相白炭黑，山东东岳有机硅材料股份有限公司；白油，广东中海南联能源有限公司；甲基三乙酰氧基硅烷、醋酸锡，湖北新蓝天新材料股份有限公司。

1.2 仪器与设备

HY-DLH 双行星动力混合机，广州红运混合设备有限公司；A1-8 电子伺服万能材料试验机，上海宇涵机械有限公司；LRHS-101-LH 恒温恒湿试验箱，上海林频仪器股份有限公司；4339B 高阻计，是德科技（中国）有限公司；LX-A 型硬度计，上海以六菱仪器厂；BN607 型气动切片机，温州百恩仪器有限公司；YP1201N 电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司。

1.3 硅橡胶制备

首先按照工艺单数量，分别将 107 胶、二甲基硅油添加到双行星搅拌机内，打开真空并在-0.09MPa 开始搅拌；抽真空 5min后加入甲基三乙酰氧基硅烷，同样在真空负压状态下搅拌 10min至搅拌均匀。然后卸真空，在 350 转高速搅拌条件下加入气相二氧化硅，持续高速搅拌 3min 后抽真空 15min。最后加入醋酸锡催化剂与白油，抽真空搅拌 20min 后即可出料装桶备用。

1.4 性能测试

外观：参照 GB/T14683—2017《硅酮和改性硅酮建筑密封胶》

标准，挤出少量试样在空白 A4 纸上，纸张对折后用滚筒来回轻轻碾压，最后掀开纸张观察纸面的胶料是否有颗粒。

触变性：按照 GB/T16776-2005《建筑用硅酮结构密封胶》标准，将胶条挤出到塑料软膜上，24h 后胶条保持圆柱不变形，表明密封胶的触变性良好，反之就是触变性不合格。

表干时间：按照 GB/T13477.5-2017《建筑密封材料试验方法：

表干时间的测定》进行测试，用手指端部轻轻接触试样表面不同部位，记录手指上无粘附试样所需的时间。

拉伸强度、断裂伸长率：按照 GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》方法，用工字环状标准试片进行拉伸测试。

2结果与讨论

2.1 气相二氧化硅比表面积对硅橡胶性能的影响

气相二氧化硅是一种超微细纳米级材料，生产过程是使用硅的氯化物通过氯氧焰来燃烧进行高温气相水解而成，由于生产路线或生产工艺的差异，气相二氧化硅比表面积大小也各有差异。

比表面积大小与羟基含量密切相关，试验过程中选用了 5 种不同比表面积的气相二氧化硅制样，验证比表面积对密封胶性能的影响，试验数据见表 1。

表 1 气相二氧化硅比表面积对硅橡胶性能的影响

比表面积（m

2 /g）

性能指标

150 180  210  240 270

外观  光滑 轻微粗糙  粗糙 粗糙 严重粗糙

拉伸强度/MPa  0.9 1.01  1.08  1.14 1.21

断裂伸长率/%  391 374  357  339 318

表干时间/min  4  5  6  7  8

触变性  好 好  好  好 好

从表 1 可以看出，当气相二氧化硅的比表面积逐渐增大时，密封胶的拉伸强度、表干时间也在不断增加，但是拉断伸长率、外观效果下降；这是因为随着比表面积的增大，气相二氧化硅表面羟基含量也不断增多，有效的加固了羟基封端聚二甲基硅氧烷与气相二氧化硅粒子之间结构，致使硅橡胶拉伸强度性能上升、拉断伸长率下降。但当比表面积高于 200m

2 /g 时，过量的羟基会

给二氧化硅分散增加困难，胶液严重增稠不利于施工使用。结合硅橡胶外观、性能等实用需求，本试验最终选择比表面积 150m2 /g

的气相二氧化硅作为酸性透明硅酮密封胶的补强填料。

2.2 气相二氧化硅用量对硅橡胶性能的影响

气相二氧化硅是酸性透明硅酮密封胶很好的补强填料，少量加入即可迅速发挥补强效果增强密封胶拉伸强度、拉断伸长率等力学性能。未添加气相二氧化硅补强填料的硅橡胶触变性、力学性能都不达标，实用领域和作用有限；过量添加气相二氧化硅会增加分散难度，直接影响到胶浆外观。因此研究气相二氧化硅用量对硅橡胶性能的影响，试验中选择了 4 中不同用量的密封胶测试，检测结果见表 2。

表 2 气相二氧化硅用量对硅橡胶性能的影响

气相二氧化硅用量/份

性能指标

0  15  30  45

外观  光滑  光滑  光滑  粗糙

拉伸强度/MPa  0.4  0.71  0.9  1.02

断裂伸长率/%  278  364  391  380

表干时间/min  10  6  4  2

触变性  差  差  好  好

从表 2 数据可以看出，未添加气相二氧化硅的密封胶拉伸强度、断裂伸长率等力学性能较差，无法满足密封胶的实际需求；当气相二氧化硅加入 15 份时，密封胶胶条拉伸强度、断裂伸长率逐渐提升，但触变性依然很差；当气相二氧化硅添加量达到 30份时，密封胶的触变性、拉伸强度、拉断伸长率以及外观都表现优异。同时可以看出，当气相二氧化硅用量达到 45 份时，密封胶的各组分分散性变差，所制密封胶外观粗糙、有颗粒。试验表明，气相二氧化硅用量必须合理控制，最佳配方量为 30 份。

2.3 物料加入顺序对密封胶性能的影响

酸性透明硅酮密封胶是常见的室温硫化硅橡胶之一，各种物料的添加顺序对硅橡胶的操作性能和力学性能均有一定的影响。

为研究出硅橡胶性能较佳的生产物料顺序，试验比较了 3 种加料顺序方案：（1）107 胶、甲基硅油、甲基三乙酰氧基硅烷、二氧化硅、醋酸锡。（2）107 胶、甲基三乙酰氧基硅烷、甲基硅油、二氧化硅、醋酸锡；（3）107 胶、甲基硅油、二氧化硅、甲基三乙酰氧基硅烷、醋酸锡。按照上述 3 项物料添加顺序分别制得密封胶的性能结果见表 3。

表 3 物料加入顺序对硅橡胶性能的影响

加料顺序方案

性能指标

1  2  3

外观  光滑  严重粗糙  /

拉伸强度/MPa  0.87  0.92  /

断裂伸长率/%  390  385  /

表干时间/min  4  4  /

触变性  好  好  /

从表 3 数据可以看出，若在二氧化硅后面加交联剂甲基三乙酰氧基硅烷，所制密封胶胶料完全无法成型，是因为在二氧化硅之后加入的交联剂，107 胶无法形成三维网状结构，造成密封胶触变性丧失无法成型。同时，方案 1 和方案 2 顺序制备的硅橡胶性能基本相似，但方案 1 的硅橡胶外观上表现更优异，胶条表面光滑细腻。结合密封胶性能需求，本试验最终选择方案 1 的物料添加顺序制备硅橡胶。

2.4 气相二氧化硅挥发量对硅橡胶性能的影响

挥发量又称为干燥减量，即气相二氧化硅烘烤过程挥发后减少的量。气相二氧化硅是非常容易回潮的材料，在常温环境下存放挥发量越大表面材料中的水分越多。为了验证气相二氧化硅挥发量对密封胶性能的影响，试验过程分别取用 4 个挥发量不同的气相二氧化硅，所制成的密封胶性能如表 4 所示。

表 4 气相二氧化硅挥发量对硅橡胶性能的影响

挥发量/%

性能指标

0.5 0.75  1  1.25

外观  光滑 光滑  轻微粗糙  非常粗糙

拉伸强度/MPa  0.92 0.90  0.88  0.89

断裂伸长率/%  395 389  401  392

表干时间/min  4  3  2  2

触变性  好  好  好  好

从表 4 数据可以看出，随着气相二氧化硅挥发量从 0.5%增到1.25%，密封胶的触变性、拉伸强度、断裂伸长率均无明显差异；与此同时，胶液的外观逐渐从光滑变成非常粗糙，密封胶的表干时间也在迅速缩短。这是因为挥发量越大的气相二氧化硅水分越多，大量的水分参与到密封胶的缩合反应，迅速缩短了硅橡胶的表干时间和贮存期限，甚至直接在硅橡胶生产过程中已经局部形成凝胶，密封胶外观变得粗糙并出现颗粒。所以，气相二氧化硅在使用过程中必须经过高温烘烤，确保其选挥发量在 0.5％以下，方能保障好硅橡胶的综合性能。

3结论

1）酸性透明硅酮密封胶填料选择中，气相二氧化硅的比表面积优选 150 m

2 /g，比表面积过大会增加二氧化硅分散难度，造成胶液表面粗糙、表干时间延长，影响实际使用。

2）未添加气相二氧化硅补强填料的硅橡胶触变性、力学性能都不达标，过量添加同样增加二氧化硅分散性变差，表干太快增加操作难度。试验结果发现，气相二氧化硅添加量以 30 份最佳。

3）硅橡胶制备过程物料添加顺序尤为重要，二氧化硅必须在甲基三乙酰氧基硅烷后加入，且按照 107 硅橡胶、甲基硅油、甲基三乙酰氧基硅烷、二氧化硅、醋酸锡顺序加料，所制硅橡胶综合性能更优异。

4）气相二氧化硅挥发量对硅橡胶的外观、贮存周期影响比较大，气相二氧化硅极易吸潮，在使用前必须经过高温、长时间烘烤，保证挥发量在 0.5%以下方可使用。

参考文献

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[4]幸松民，王一路.有机硅合成工艺及产品应用[M].北京：化学工业出版社，2006

作者简介：韦远怡（1998-），女，汉族，广东广州，大学本科，实验员，主要从事胶粘剂研发工作。