硅橡膠發(fā)泡材料及工藝簡述

1 概述

硅橡膠發(fā)泡材料的制備主要是在混煉硅橡膠中添加適當(dāng)發(fā)泡劑，經(jīng)加熱發(fā)泡和硫化制得。在硅橡膠發(fā)泡材料制備過程中關(guān)鍵是要發(fā)泡速率和硫化速度基本一致。硅橡膠發(fā)泡過程中，內(nèi)部壓力常大于外部壓力，除發(fā)泡劑配方的合理選用是控制發(fā)泡效果的主要因素外，發(fā)泡的工藝和模具設(shè)備也是硅橡膠發(fā)泡材料制備的關(guān)鍵。其發(fā)泡過程初期氣體使坯體起發(fā)形成多孔結(jié)構(gòu)，膨脹到外形與模腔相等，硫化過程中控制發(fā)氣量和發(fā)氣速率對于泡孔的均勻和制品的外形控制影響很大。

2 發(fā)泡劑的分類

根據(jù)發(fā)泡劑發(fā)泡過程中產(chǎn)氣方式的不同分為物理發(fā)泡劑和化學(xué)發(fā)泡劑。物理發(fā)泡劑是在一定條件下發(fā)泡劑本身物理形態(tài)變化形成氣泡；化學(xué)發(fā)泡劑進(jìn)行化學(xué)分解反應(yīng)產(chǎn)生一種或多種氣體，從而使聚合物基體發(fā)泡。其中，熱分解型有機化學(xué)發(fā)泡劑在橡膠塑料發(fā)泡制品生產(chǎn)中占據(jù)重要地位。

1) 物理發(fā)泡劑

物理發(fā)泡劑也可稱為揮發(fā)性發(fā)泡劑，包括惰性壓縮氣體、可溶性固體、沸點低于110℃的揮發(fā)性液體。惰性壓縮氣體大多適用于增塑模壓氣體發(fā)泡，在壓力下，惰性氣體被基體吸收，而后在常壓下膨脹使材料發(fā)泡。常規(guī)的物理發(fā)泡劑為低沸點脂肪烴，工業(yè)上叫石油醚，無毒、價廉、但可燃。鹵代烴、丁烷、戊烷、己烷等氣體和氯氣、CO2、水、空氣等有效替代品的開發(fā)研究活躍。

2) 化學(xué)發(fā)泡劑

化學(xué)發(fā)泡劑包括以碳酸氫鹽為代表的無機發(fā)泡劑和以偶氮二甲酰胺(AC)、二亞硝基五甲基四胺(發(fā)泡劑 H)為代表的有機發(fā)泡劑，通常指有粉狀特征的熱分解型化學(xué)發(fā)泡劑?；瘜W(xué)發(fā)泡劑有極強的專用性、并且類別繁多、從一定程度上反映著發(fā)泡劑行業(yè)的現(xiàn)狀。

3 化學(xué)發(fā)泡劑的選擇

1) 無機發(fā)泡劑

無機發(fā)泡劑是最早使用的化學(xué)發(fā)泡劑。其中碳酸氫鹽類發(fā)泡劑具有吸熱分解、成核效果好、安全、發(fā)生氣體為 CO2無毒害等特征。但由于其在聚合物中分散性差，儲存穩(wěn)定性差，應(yīng)用性有局限，但作為氣泡成核劑，無機發(fā)泡劑在氣泡的穩(wěn)定化、微細(xì)化方面有重要作用。近年來，隨著表面處理、納米造粒等技術(shù)的進(jìn)步，無機發(fā)泡劑的應(yīng)用領(lǐng)域得到拓寬。

2) 有機發(fā)泡劑

有機發(fā)泡劑的發(fā)展較晚，但發(fā)展速度快，目前市場占有率相當(dāng)高。在有機化學(xué)發(fā)泡劑半個多世紀(jì)的發(fā)展歷程中，探索的化學(xué)品高達(dá)千余種，最終得到實驗驗證并廣泛投入使用的化學(xué)結(jié)構(gòu)只有十幾種，尤以偶氮二甲酰胺(發(fā)泡劑 AC)、二亞硝基五甲甲基四胺(發(fā)泡劑 H)最為普遍。有機化學(xué)發(fā)泡劑具有如下特征：

a.在聚合物中分散性好，氣泡微細(xì)并且均勻；

b.分解溫度范圍較窄，易于控制；

c.以釋放 N2為主，由于 N2在聚合物中擴(kuò)散速度小，不易從發(fā)泡體中逸出，因而發(fā)泡效率較高，發(fā)泡質(zhì)量好；

d.有機發(fā)泡劑為放熱發(fā)泡劑，達(dá)到一定溫度時急劇分解，發(fā)氣量比較穩(wěn)定，發(fā)泡劑用量和發(fā)泡倍率的關(guān)系可以計算。放熱量過大時，容易導(dǎo)致制品內(nèi)部溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過外部溫度，影響制品的應(yīng)用性能，利于較厚制品的加工；

e.有機化學(xué)發(fā)泡劑多為易燃物，使用應(yīng)注意安全。

有機發(fā)泡劑也存在缺點：發(fā)氣量少，僅為無機發(fā)泡劑的 15%～30%，殘渣量大，有時有臭味和表面噴霜；分解發(fā)熱量大，易造成芯燒；易燃。

3) 發(fā)泡助劑

發(fā)泡助劑能有效降低發(fā)泡劑分解溫度，穩(wěn)定發(fā)氣過程，減少惡臭氣體的產(chǎn)生。工業(yè)上常用的助發(fā)泡劑有以下幾類：

a.尿素衍生物和氨基化合物，如尿素、乙醇胺；

b.有機酸如硬脂酸、月桂酸、苯甲酸、水楊酸；

c.堿土金屬的化合物，氧化鋅、氧化鉛；

d.多元醇如甘油；

e.有機硅，如聚硅氧烷-聚烷氧基醚共聚物(發(fā)泡靈)。

為了改良尿素衍生物在聚合物中的分散性差、吸濕等不足，乙二醇、脂肪油、金屬皂及無機鹽類物質(zhì)往往配合使用。另外，尿素在添加入混煉膠料之前應(yīng)充分研磨以保證其在膠料中的均勻分散，研磨好的尿素不應(yīng)在空氣中暴露時間過長，以免吸收空氣中的水分帶入膠料影響膠料性能。

4 硅橡膠發(fā)泡成形工藝

1) 模壓成形

模壓成形法是硅橡膠制品生產(chǎn)中沿用較久的定形和硫化同時進(jìn)行的方法。即坯料放入模腔中，準(zhǔn)確合模，置于平板硫化機之間以一定條件繼續(xù)壓力、加熱，完成硫化后啟模修邊再經(jīng)過二次硫化得到的制品。操作過程中合模的速度應(yīng)控制模腔內(nèi)的膠料能充分填滿。對于厚壁制品常用過氧化二異丙苯(DCP)及雙 2,5(DBPMH)等較高的分解溫度的硫化劑。硅橡膠的成形收縮率為 2%～4%，其線膨脹系數(shù)為鐵的 17 倍；加上硫化揮發(fā)份的影響，其收縮率很大，模具設(shè)計時應(yīng)充分考慮，模具材質(zhì)一般為硬質(zhì)不銹鋼鍍鉻。

模壓硫化橡膠制品應(yīng)用較早，由于硅橡膠相對于導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)小，硅橡膠的發(fā)泡硫化容易出現(xiàn)發(fā)泡不均，開裂等現(xiàn)象。設(shè)計合理的硅橡膠發(fā)泡模壓模具對于泡孔結(jié)構(gòu)的控制具有關(guān)鍵作用。

2) 傳遞模壓成形

傳遞模壓成形法是一種改進(jìn)的模壓成型法，也稱移模法。傳遞成形所用的模具與普通模具不同，在其上部有帶活塞的注入室，未硫化的坯料放入注入室，用壓力機推壓柱塞，使坯料通過澆口進(jìn)入模腔進(jìn)行硫化。因注入室和模具分別固定在壓力機上，所以用同一個注入室可以向多個模具注料。這種方法的優(yōu)點是制品致密度高，硫化時間比普通模壓法短，易于制造復(fù)雜形狀的制品。

3) 注射成形

注射成形法是將混煉硅橡膠先在膠料筒中均勻塑化，然后由柱塞或移動式螺桿通過噴嘴、主流道、分流道推擠到閉合模具的模腔中成形的一種方法。該法非常適合制造復(fù)雜形狀及嵌件制品的成形。料筒溫度一般控制在常溫，但根據(jù)硫化劑的種類可以升至80℃～90℃；成形時間可隨制件的形狀等因素而調(diào)整，一般控制在 30s～90s。

4) 擠出成形

擠出成形法也稱壓出成形法，是混煉硅橡膠在擠出機螺桿的擠壓下，通過一定形狀的口模連續(xù)成形的方法?；鞜捁柘鹉z一般先在開煉機上返練，也可以用冷喂擠出機擠出。硅橡膠的擠出工藝應(yīng)用很廣，膠管、電線包覆、電纜護(hù)套及各種斷面的擠出制品都采用此種方法成形。擠出成型注意的是：制品從口模擠出后的膨脹和硫化前的變形；另外擠出機要保證冷卻控制在 50℃以下，以防止膠料焦燒和硫化劑失效；膠料在擠出機中不能滯留。擠出成形采用硫化方式主要是空氣硫化(HAV)、熱浴硫化(HLV)、蒸汽硫化(CA)。

5) 二次硫化

二次硫化為后硫化。硅橡膠經(jīng)過硫化成形后一般都需要進(jìn)行二次硫化。其主要目的是：一、除掉制品中殘留的硫化劑分解產(chǎn)物；二、賦予制品使用時的熱穩(wěn)定性。二次硫化一般都在熱風(fēng)循環(huán)式烘箱中進(jìn)行，也可以根據(jù)用途采用沸騰處理達(dá)到上述目的，一般二次硫化采用程序升溫的方法進(jìn)行。