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[工具软件] 什么是陶瓷化硅橡胶

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    2022-12-23 07:54
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    [LV.9]以坛为家II

    ☆黑马☆ 发表于 2020-5-13 10:05:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
                             什么是陶瓷化硅橡胶
                                       来源:全球有机硅网

        硅橡胶具有燃烧缓慢、无熔滴、无毒性气体释放的特点,在防火与阻燃材料领域应用广泛。陶瓷化硅橡胶是一种新型防火材料,其在室温下的性能与普通橡胶材料相同,但在高温下却能够形成致密而坚硬的陶瓷体,以阻止火焰蔓延。近年来,陶瓷化硅橡胶的研究引起众多专家学者的关注。

    陶瓷化聚合物材料(视频中是EPDM,)在燃烧后依旧可以保有完整的结构
    (来自CeramPolymerik公司官网)
    图1 燃烧时填料会与基体的热解产物二氧化硅产生共晶现象,形成一层坚硬的陶瓷层

    目前已研究过的可陶瓷化的聚合物有许多种, 但最成功的还是陶瓷化硅橡胶。因为硅橡胶本身便拥有良好的热稳定性,且燃烧时Si-O结构会转变成连续、抗氧化、绝缘的网络状二氧化硅灰烬覆盖在表面,不仅能阻止进一步烧蚀,而这些二氧化硅粉末可以为后续的陶瓷化提供物质基础。

    陶瓷化硅橡胶特点
    1、在火焰中形成自支撑陶瓷体
    当含有无机填料的橡胶材料暴露在火焰中时,橡胶发生降解或燃烧,降解或燃烧产物挥发后留下强度较小的无机残余物或灰分。这些残余物通常是不凝聚的或不自支撑的,甚至碎成颗粒或粉末,因此没有防火功效。当特殊设计配方的陶瓷化橡胶暴露在火焰中时,视橡胶品种和配方调整,可在350~800℃或以上范围内产生陶瓷化,烧结成多孔性自支撑的陶瓷体,在650~1000℃高温的火焰中、一定时间(0.5~2h)内能保持结构的完整性,可以很好地发挥“被动防火”的功效,为消防安全赢得宝贵时间。

    2、有一定的强度,抗热冲击性好
    陶瓷化后的烧结体比较坚硬,敲击有陶瓷声,有一定的屈挠强度和压穿强度。据涂布在线了解,陶瓷化硅橡胶试件的弯曲强度远大于普通硅橡胶,而且随着温度的升高明显增大。模拟救火过程给高温烧蚀的试件喷洒水,陶瓷化硅橡胶的烧结体不炸裂,显示出良好的抗热冲击性。

    3、无卤、低烟、低毒、自熄、环保
    陶瓷化硅橡胶无需添加卤素阻燃剂就可以达到阻燃自熄的效果,阻燃性UL94V-0,氧指数可高达38。在火焰的烧蚀下,被烧几分钟后便完全断烟,在接下来的烧蚀过程中,本身不再有烟雾产生。陶瓷化硅橡胶燃烧产生二氧化碳、水和二氧化硅,均为无毒物质。

    4、电性能良好
    优化配方的陶瓷化硅橡胶的电性能——烧结前体积电阻率不小于1015Ω•cm,随着烧结温度的升高,其体积电阻率下降,在1000℃下燃烧30min后,其体积电阻率下降为107Ω•cm。普通硅橡胶烧结前后的体积电阻率分别不小于1015和107Ω•cm。

    5、易加工
    胶料制备和制品生产工艺与普通硅橡胶类似,使用常规的橡胶加工设备(挤出机、平板硫化机、注射机等)就可以生产。耐火电缆生产工艺简化,成本降低。

    二、陶瓷化硅橡胶配方
    1、生胶
    主要使用甲基乙烯基硅橡胶(例如国产110-2硅橡胶)。也可使用高温硫化乙烯基封端的甲基乙烯基硅橡胶,即二甲基乙烯基硅氧烷基封端的二甲基硅氧烷-甲基乙烯基硅氧烷共聚物(例如国产110-4S硅橡胶)。这种硅橡胶可以用加成硫化体系硫化,硫化胶的撕裂强度高、压缩永久变形低,适用于耐火硅橡胶密封条。若需要耐烧蚀性更好的材料,可选用苯基硅橡胶,也可选用甲基苯基乙烯基硅橡胶(例如国产120-2苯基硅橡胶)。苯基硅橡胶的烧蚀率约为乙烯基硅橡胶的1/2,因价格高昂,仅用于特殊用途。

    2、补强填料
    陶瓷化硅橡胶的补强填料采用白炭黑,主要是气相法白炭黑,也用沉淀法白炭黑。经过表面处理(表面处理剂有硅烷偶联剂、八甲基环四硅氧烷)的白炭黑可以有效改善硅橡胶硫化胶的强度,提高疏水性。

    3、增量填料
    增量填料对硅橡胶只起很弱的补强作用,一般与白炭黑并用,以调节硅橡胶硫化胶的硬度、改善胶料的工艺性能(如挤出性能)和降低成本。主要有石英粉、硅藻土,氧化锌、钛白粉、滑石粉和碳酸钙等。用硅烷偶联剂处理的石英粉,不但提高了补强性,还能起烧结粘结剂的作用,对陶瓷化有贡献。

    4、结构化控制剂
    为抑制含气相法白炭黑补强的硅橡胶胶料的“结构化”,保证加工性能,需要添加结构化控制剂。一般使用羟基硅油(羟基质量分数为0.06~0.12)。

    5、热稳定剂
    热稳定剂一般采用氧化硒、氢氧化硒或辛酸硒,氧化铁或辛酸铁等。

    6、硫化体系
    甲基乙烯基硅橡胶和甲基苯基乙烯基硅橡胶均使用过氧化物硫化剂,品种视制品硫化工艺和设备的不同而选择。

    7、阻燃体系
    耐火硅橡胶制品常常也设计具有阻燃性能, 常用的无卤阻燃剂有氢氧化铝、氢氧化镁和铂阻燃剂。氢氧化铝和氢氧化镁在高温下释放水蒸气,生成氧化铝和氧化镁,水的蒸发潜热使燃烧温度降低,两者并用(氢氧化铝/氢氧化镁并用比为1/9~6/4)具有促进陶 瓷化的特点,如表1所示。
    表1 阻燃剂效果

    8、陶瓷化体系
    陶瓷化体系是陶瓷化硅橡胶配方的关键组分,主要包括成瓷填料以及助熔剂。目前陶瓷化硅橡胶添加的成瓷填料一般是层状硅酸盐类矿物填料,呈晶体结构,具有高熔点(高耐火度)和高烧结度,且具有优良的电绝缘性能,代表性品种有以下几种:

    ①云母
    云母是一种复杂的硅酸盐,种类众多,系层状晶体,晶系多样,熔点约为1800℃,甚至更高。用于陶瓷化硅橡胶的云母主要包括白云母和金云母。白云母是双八面体碱性硅酸铝,是通过钾离子层彼此弱粘结的硅酸铝片的层状结构,成分为KAl3Si3O10(OH)2。金云母是三八面体碱性硅酸铝,是通过钾离子层彼此弱粘结的硅酸铝镁片的层状结构,成分为KMg3AlSi3O10(OH)2。白云母有较好的电绝缘性和耐火性,与金云母相比,烧结体尺寸稳定性和电性能较好,如表2所示,因此电缆之类的电气制品常用白云母。但是金云母在1000℃高温下烧结体的强度比白云母高。

    表2 白云母和金云母对陶瓷化硅橡胶导电性能的影响
    注:1)过氧化物和硅橡胶的质量分数分别为0.02和0.98;
    2)过氧化物、白云母和硅橡胶的质量分数分别为0.02,0.30和 0.68;
    3)过氧化物、金云母和硅橡胶的质量分数分别为0.02,0.30和0.68。
    图2 添加白云母粉的硅橡胶烧结产物SEM照片

    ②硅灰石
    硅酸钙填充剂也是硅橡胶重要的成瓷填料,主要有硅灰石、硬硅钙石、雪硅钙石,针钠钙石、锰硅灰石等,其中以硅灰石应用最多。硅灰石是天然的偏硅酸钙(CaSiO3),三斜晶系,熔点为1540℃。用于陶瓷化硅橡胶的硅灰石为α-CaSiO3,以长径比2:1~5:1为宜(过高时挤出品的表面会失去平滑性)。
    图3 添加硅灰石的硅橡胶烧结产物SEM照片

    ③高岭土
    高岭土是以天然高岭石为主要成分的粘土,晶体为假六方片状,熔点约为1735℃。使用表面处理的煅烧高岭土更有利,可改善物理强度和电绝缘性能。
    图4 添加高岭土的硅橡胶烧结产物SEM照片

    在高温或明火烧蚀环境中,在前期较低温度下硅橡胶烧结形成的多孔性陶瓷体具有隔热作用,能有效阻止火焰蔓延;当温度进一步升高后,陶瓷体变得坚硬、致密,可以更好地保护内包覆物,从而达到极佳的阻燃和耐火效果。

    陶瓷化硅橡胶所用成瓷填料的熔点都很高, 燃烧后陶瓷化温度相应也很高。为了能“低温烧成”,即能在较低温度下开始陶瓷化,获得一定的 强度的陶瓷体,更好地发挥陶瓷化硅橡胶的防火功能,在胶料配方中加入助熔剂。助熔剂一般是指能降低其他物质的软化、熔化或液化温度的物质。目前,陶瓷化硅橡胶成瓷填料的助熔剂主要有玻璃添加剂、含硼化合物和氧化锌。

    9、其他添加剂
    根据需要,胶料中还可以添加着色剂、发泡剂等。

    应用领域
    陶瓷化硅橡胶最主要的应用是中低压耐火电线电缆,为了保证火灾过程中的通电安全。因此不难理解电缆行业对新型耐火绝缘材料陶瓷化硅橡胶的迫切开发和应用的热情。陶瓷化硅橡胶混炼胶生产设备与普通硅橡胶相同,胶料有很好的挤出性能和模压性能,可以直接使用硅橡胶电线电缆设备挤出、硫化成电线电缆,无需增加设备,可以大幅度降低生产成本。陶瓷化硅橡胶在常温下具有橡胶弹性,火烧后不会像云母带那样发脆脱落,可以通过喷淋、震动试验。考虑到近年来我国许多重大民用建筑的重大火灾与电线电缆有关,民用建筑耐火电缆的需求很大,目前陶瓷化硅橡胶中低压耐火电缆会有较大发展。
    陶瓷化硅橡胶用作防火墙时能够在高温火焰下形成耐火陶瓷层,防止火焰穿透,在飞机中使用阻燃陶瓷化硅橡胶防火墙能防止火焰在机舱中的蔓延。除此之外,它还有其他十分广泛的应用,如防火门、防火板、建筑防火涂层、发泡防火高温处理材料、火箭发射平台高温隔火层等。



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    难过
    2023-11-7 17:23
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    [LV.3]偶尔看看II

    胡同 发表于 2020-6-29 10:18:28 | 显示全部楼层
    总结的不错,谢谢分享
  • TA的每日心情
    慵懒
    2023-7-12 22:30
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    [LV.4]偶尔看看III

    Cheng1205 发表于 2023-1-31 10:02:54 | 显示全部楼层
    感谢介绍!
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