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认识有机硅材料

德国化学家沃勒 (Wohler) 在 1857 年首先创造了「有机硅」 (Silicone) 这个词。他的命名策略基于有机化学命名体系。有机硅」这个词已广泛用于描述所有的有机硅聚合物,甚至包括有机硅单体。

什么是硅橡胶

硅橡胶是一种由氧和硅交联成的聚合物制成的独特的合成弹性体。它完美地平衡了机械性质和化学性质,因而能满足今天许多苛刻的应用场合要求。

硅橡胶在以下领域表现卓越:

  • 高低温稳定性

  • 稳定性 (无味无臭)

  • 透明、易于上色

  • 硬度范围宽,10~80 邵尔硬度

  • 耐化学品

  • 耐候

  • 密封性能

  • 电气性质

  • 耐压缩变形

除了上述卓越性能,和常规有机弹性体相比,硅橡胶特别容易加工制造。硅橡胶容易流动,因而可以在能耗较低的情况下模压、压延、挤出。容易加工也就意味着生产效率高。

硅橡胶可透过以下形式提供:

  • 混炼胶 — 这种即用型材料可以根据用户的加工设备和最终用途进行上色和催化。

  • 基础料 — 这类有机硅聚合物同样含有补强填料。橡胶基础料可以进一步和颜料和添加剂混炼,形成混炼胶,满足用户的色彩和其它制造要求。

  • 液体硅橡胶 (LSR) — 这种双组分液体橡胶体系可以通过泵输入适当的注射成型设备,然后热固化成模压橡胶部件。

  • 氟硅橡胶混炼胶和基础料 — 氟硅橡胶保持了有机硅的许多关键性质。此外,它还具有优越的耐化学燃油和油品的性能。

有机硅和有机物的比较

有机硅具有许多大多数有机弹性体无法与之媲美的独特性能。其中之一便是有机硅可在极低的 –100°C 至极高的 316°C 宽广温度范围内使用。这使有机硅可作为汽车和工业应用中一种极佳的材料。

许多有机物往往只能制成黑色或浅色调的部件,而有机硅就不同,它可以透明,也可以制成非常明快的色彩,以完美地满足用户的需要。有机硅无味无臭,不含亚硝胺,许多级别的有机硅适用于食品接触场合。这也和许多有机物不同。硅橡胶既具备有机物的优点 (宽广的温度使用范围、易于加工),又弥补了有机物的许多不足。

参照下面图表比较有机硅和其它有机材料。

为什么使用有机硅橡胶?

在高低温下都有优异的压缩变形性能

性能在很大温度范围内保持一致性

橡胶的物理和化学特性

对于化学溶剂、燃料和耐油性

  • 通用橡胶对于大多数溶剂的抵抗性比低硬度橡胶好,低硬度橡胶的玻璃转化温度在 –116°C。

  • 高硬度的橡胶在耐溶剂方面比低硬度的橡胶优胜,原因是越硬的材料通常填充物越多,不易膨胀。

  • 当一些橡胶浸入高浓度的强氧化酸时,会表现出收缩现象 (负膨胀)。高浓度硫酸就是典型的例子,它可以溶解硅橡胶。

 

化学变质

化学变质是指物理性质的丧失,这是由暴露于高温、低温,或者化学品下造成的。硅橡胶由于内在的化学结构,在抗化学变质方面比有机橡胶优胜。大多数的有机橡胶会在许多化学物质 (例如:油、溶剂、液压机液体、酸) 的存在下发生降解。而 Silastic 氟硅酮橡胶在这些情况下表现出优异的耐化学性,同时,道康宁将 Silastic 硅橡胶与氟硅酮橡胶混合,以提高其耐化学性,满足客户应用所需。

 

防水性

Silastic 硅橡胶的所有型号都以防水性而着称。即使长期处于浸润状态,它们对于潮气的吸收性也极低,其机械性能亦几乎不发生变化。高热的水将导致橡胶裂解,但这仅仅在长期并且不间断地处于这样的状态下才发生。

耐蒸汽性

通常,在不加压的情况下 Silastic 硅橡胶几乎不受游离蒸汽湿气的影响。当蒸汽处于较低或中等压力情况下也是如此。然而随着蒸汽压力的上升,对橡胶的机械性能的影响就逐渐变大。因此,Silastic 硅橡胶不推荐长期使用在蒸汽超过 50 psi 的场合中。

 

可燃性

典型的不含阻燃添加剂的硅橡胶基料的极限氧指数 (LOI) 在 24% O2。如果设计成专门的复合物,其 LOI 可达 30-37% O2

温度指数是指当空气混合物中氧气的浓度为 20.9% 的时候,材料能够保持燃烧的温度。对于电学的阻燃硅橡胶复合物而言,这个温度在 300-400°C,而典型的硅橡胶基料,这个温度大约为 250°C。

 

阻燃性

特定的 Silastic 硅橡胶产品本身具有一定的防火特性,因此适用于需要良好阻燃的场合。大多数 Silastic 硅橡胶产品可通过 MIL-STD-417A 水平阻燃规范,但是要通过更严格的垂直阻燃规范,必须要加入阻燃剂。Silastic 硅橡胶可以通过复合设计成符合多种技术规范的产品,包括:UL-94、V-1 或 V-0;UL Code 62;BMS 159-C。

 

耐真菌性

当在温暖潮湿的环境中使用橡胶时,它必须耐霉菌或真菌。虽然 Silastic 硅橡胶并不抗真菌,但它也不是真菌的滋生物,也不会受到真菌或霉菌的不利影响。

当 Silastic 硅橡胶受到毛壳菌、球霉菌 (globum)、黑曲霉、土曲霉、 青霉菌 (penicillium lutem) 和镰刀菌念珠菌等的作用时,这些微生物都没有恶化样品的性能。

 

食品接触规定和 FDA 规定

很多 Silastic 硅橡胶产品配方符合 FDA 21CFR177.2600 规定。道康宁销售的很多未固化硅橡胶产品可能会用于制造基本部件,而这些部件在使用中会和食品表面频繁接触,这些道康宁产品符合美国食品药品管理局的 FDA 21CFR177.2600「反复使用的橡胶产品」规定。

 

机械性质

  • 硬度 — Silastic 硅橡胶具有 10 至 80 的肖式硬度范围,这就给予设计师充分的自由来选择所需的硬度,最佳地实现特定的功能。对聚合物基材、填充物和助剂进行不同比例的混合,可以实现各种中间的硬度值。同样地,加热固化的时间和温度同样也能改变硬度,而不会破坏其它的物理特性。高温会影响到硬度,在加热的状态下其它特性也会发生变化。

  • 剪切强度 — 剪切强度是指造成一块橡胶材料样品撕裂时每个范围单位上所需的力。Silastic 高密度硅橡胶剪切强度范围介乎 4.0-12.5MPa 之间;Silastic 氟硅橡胶剪切强度范围介于 8.7-12.1MPa 之间;Silastic 液态硅橡胶剪切强度范围介于 3.6-11.0MPa 之间。

  • 撕裂强度 — 在有切口的样品上施加力量时阻碍切口或刻痕扩大的抵抗力。即使切开后置于极高的扭力下,高密度 Silastic 硅橡胶也能耐撕裂。Silastic 高密度硅橡胶撕裂强度范围介于 9-55 kN/m 之间;Silastic 氟硅橡胶撕裂强度范围介于 17.5-46.4 kN/m 之间;Silastic 液硅橡胶撕裂强度范围介于 11.5-52 kN/m 之间。

挠度计测试证实 Silastic 硅橡胶对于裂痕扩大具有显着的抵抗力。当进行挠度计损毁测试时 (每小时 18,000 圈直到损坏),高性能硅弹性体持续 500,000 圈。

 

耐臭氧和耐氧化性质

  • 氧化 — 氧化会迅速破坏有机弹性体,但对 Silastic 硅橡胶来说,这几乎不存在。

  • 臭氧 — Silastic 硅橡胶在测试其耐臭氧性能的时候,显示了优异的稳定性。在动态和静态测试 2、4、6、8 小时后,样品在硬度、拉伸强度和延伸率方面没有明显变化。在放大 10 倍后,未见裂纹或裂痕。

测试按照 ASTM D518 和 ASTM D1149 的步骤进行,但考虑到 Silastic 有机硅弹性体的卓越性能,对测试做了部分更改。如在 ASTM D518 中指明,样品应拉伸 20%,但除了静态测试,在动态测试中,样品拉伸了 25%,每分钟拉伸 30 次。如果橡胶受到了臭氧作用,这种测试会导致任何微小裂型的迅速发展。但正如上文所述,未见裂纹或裂痕。

其它测试条件的修正涉及测试方法 ASTM D1149。在这个过程中,指定的臭氧浓度是每一亿份空气中含 50 份臭氧,但是在测试 Silastic 硅橡胶的时候,这个浓度增加了 30,000 份臭氧,上述测试的温度条件为 40 或 50°C,而 Silastic 硅橡胶成功抵受 74°C 测试条件的考验。

 

耐辐射性

辐射像热老化一样改变 Silastic 硅橡胶的性质。当总辐射剂量增加时,橡胶的硬度增加;拉伸强度是先增加,然后迅速下降;伸长率则会下降。如果辐射为轻度或中度辐射时,辐射的直接效应与辐射水平总量成比例;而在高辐射水平下,热效应会引起其它变化。

 

上图说明了要使两种 Silastic 硅橡胶的伸长率绝对值降低到 50% 所需的辐射剂量。图中的数据是在室温和 200°C 下暴露于 Co60 辐射源中得到的。这里采用 50% 的伸长率作为测试终点,是因为在许多应用场合,这是弹性体保持弹性的最低要求,在这个伸长率下,弹性体仍然有用。当然,静态密封和类似产品在低的伸长率的情况下保持其适用性。

 

耐高、低温性

由 Silastic 硅橡胶制造的部件在宽广的温度范围内保持其室温下的特性,它可以使用的温度范围从 -100°C 至 316°C,这种热学性质大多数有机弹性体难以与之匹敌。

 

加工方法

Silastic® 硅橡胶加工方便,有助于提高生产率,降低橡胶加工成本,亦比许多有机弹性体具备更佳的性能。Silastic 高粘度硅橡胶 (HCR) 和 Silastic 氟硅橡胶 (FSR) 是用于制造常规橡胶和塑料设备的热固性材料,可用下述方法进行加工:

典型应用

  • 蠕动泵管

  • 药物输送管

  • 营养饲管

  • 导尿管

  • 静脉管

  • 无针静脉阀

  • 密封垫、灵活的底座和连接器插件

 

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