有機硅與無機填料的完美結(jié)合--一文帶你了解陶瓷化硅橡膠

陶瓷化硅橡膠是一種近年來快速發(fā)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(fù)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(wěn)定性，且燃燒時Si-O結(jié)構(gòu)會轉(zhuǎn)變成連續(xù)、抗氧化、絕緣的網(wǎng)絡(luò)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(xù)的陶瓷化提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

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(xù)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(nèi)的無機填料粘結(jié)起來。

當添加硅酸鹽類填料后，硅橡膠分解產(chǎn)生的二氧化硅會與硅酸鹽填料發(fā)生反應(yīng)，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(chǎn)物。

圖1   燃燒時填料會與基體的熱解產(chǎn)物二氧化硅產(chǎn)生共晶現(xiàn)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(chǎn)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(huán)保，不產(chǎn)生有毒氣體及煙霧。且隨著燒結(jié)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(diào)節(jié)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(lián)劑處理的硅微粉，不但提高了補強性，還能起燒結(jié)粘結(jié)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(fā)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(jié)構(gòu)化控制劑

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

6、熱穩(wěn)定劑

熱穩(wěn)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(shè)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(jié)構(gòu)，具有高熔點（高耐火度）和高燒結(jié)度，且具有優(yōu)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(jù)需要，膠料中還可以添加著色劑、發(fā)泡劑等。

應(yīng)用領(lǐng)域

1、防火電纜材料

陶瓷化硅橡膠最主要的應(yīng)用是防火電纜材料。在應(yīng)急電路系統(tǒng)中，電纜材料需要在火災(zāi)發(fā)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(tǒng)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(jié)約成本的優(yōu)勢。

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(yīng)用，如防火門、防火板、建筑防火涂層、發(fā)泡防火高溫處理材料、火箭發(fā)射平臺高溫隔火層等。

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