空心玻璃微珠填充硅橡膠材料的性能研究

王恒芝　張鵬　劉梅　孫全吉　吳娜　范召東

摘要：在硅橡膠中添加空心玻璃微珠，研究了空心微珠的規(guī)格、用量等對加成型硅橡膠材料性能和加工性能的影響。為了獲得較佳的綜合性能，應(yīng)當(dāng)選用密度大、粒徑小的空心玻璃微珠與硅橡膠配合，也可選用密度和粒徑都小的空心玻璃微珠，但須適當(dāng)降低微珠用量。

關(guān)鍵詞：空心玻璃微珠；加成型硅橡膠；材料性能；加工性能

中圖分類號：TQ333.93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2013）07-0044-03

1 前言

硅橡膠硫化后是典型的彈性體。對于要求進(jìn)行精細(xì)機(jī)械后加工的硅橡膠制件，若彈性過大，當(dāng)?shù)毒呓佑|硅橡膠時(shí)，硅橡膠會因彈性而變形，嚴(yán)重影響機(jī)械加工的效果和精度。在硅橡膠中填充適量的空心玻璃微珠，可降低硅橡膠的彈性，達(dá)到改善硅橡膠機(jī)械加工性能的目的。

空心玻璃微珠是一種高強(qiáng)度、高硬度、惰性的中空球形顆粒，主要成分為SiO2和Al2O3。與現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)填料相比，它具有質(zhì)輕、絕熱、隔音、高分散、耐高低溫、耐腐蝕、壓縮強(qiáng)度高、電絕緣性和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。目前，將其用于聚氯乙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、有機(jī)硅樹脂等的改性研究已有報(bào)道[1～6]，而在硅橡膠中填充空心玻璃微珠的研究較少。

本文將空心玻璃微珠填充于硅橡膠中，考查了空心玻璃微珠規(guī)格、用量對硅橡膠性能的影響，以期獲得綜合性能較佳的硅橡膠材料。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原材料、試劑和設(shè)備

HM322室溫硫化硅橡膠及其硫化劑，自制；玻璃微珠、六甲基二硅氧烷，工業(yè)級，市售。

平板壓機(jī)，自制；旋轉(zhuǎn)處理器，自制；高溫試驗(yàn)箱，WG4501，重慶銀河試驗(yàn)儀器有限公司；厚度計(jì)，CH-1，長沙儀表機(jī)床廠；邵氏橡膠硬度計(jì)，LX-A，上海六菱儀器廠；流淌性試驗(yàn)儀，自制；電子拉力試驗(yàn)機(jī)，T2000E，北京市友深電子儀器廠；電子天平，PB8001-S/A，瑞士；數(shù)控立車，美國。

2.2 試片的制備

將玻璃微珠與六甲基二硅氧烷按質(zhì)量比20∶1加入旋轉(zhuǎn)處理器，室溫下旋轉(zhuǎn)處理1 h，再于135 ℃旋轉(zhuǎn)處理4 h， 冷卻后將物料倒入搪瓷盤中，于135 ℃加熱4～6 h，冷卻備用。

將處理過的玻璃微珠與加成型硅橡膠及其硫化劑按10∶100∶10的質(zhì)量比混合均勻并真空抽出氣泡，在平板壓機(jī)上硫化制成標(biāo)準(zhǔn)試片，然后進(jìn)行性能測試。

2.3 性能測試

（1）密度：按GB/T 533測定。

（2）邵爾A硬度：按GB/T 531.1測定。

（3）拉伸性能：拉伸性能試片按HB 5246制備，拉伸性能按GB/T 528測定。

（4）流淌性：按照HB 5243—1996測定。

（5）玻璃微珠密度：將玻璃微珠與加成型硅橡膠及其硫化劑按10∶100∶10的質(zhì)量比混合均勻并真空抽出氣泡，壓制方形試樣，硫化后稱量試樣質(zhì)量m1，計(jì)算試樣體積v1。依上方法只用加成型硅橡膠及其硫化劑按100∶10的配比制備試樣，稱量試樣質(zhì)量m2，計(jì)算試樣體積v2。分別按式（1）計(jì)算密度。

密度=m1×m2/（12×m2×v1-11×m1×v2） （1）

3 結(jié)果與討論

3.1 玻璃微珠規(guī)格與密度測算

市售的玻璃微珠通常標(biāo)注其堆砌密度，但堆砌密度不能反應(yīng)其在硅橡膠中分散效果，所以選擇了幾種市售的玻璃微珠，對其密度進(jìn)行了測算。

空心微珠壁厚對其密度影響較大，空心微珠A～D密度遞增的主要原因是壁厚/半徑比遞增。

3.2 玻璃微珠規(guī)格對性能的影響

3.2.1 玻璃微珠規(guī)格對材料性能的影響

將處理過的玻璃微珠與硅橡膠及其硫化劑按10∶100∶10的質(zhì)量比在容器中混合均勻制片，按對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)方法測試材料性能，見表2。

材料的密度和硬度主要受微珠的密度影響。按固定質(zhì)量比添加空心微珠時(shí)，隨著微珠密度提高，材料的密度提高，硬度降低。

材料的力學(xué)性能主要受微珠的粒度范圍影響。隨著微珠粒徑增大，材料的力學(xué)性能下降。這是因?yàn)樵谕瑯拥谋砻嫣幚項(xiàng)l件下，微珠粒度越小，比表面積越大，與硅橡膠的相容性也就越好。

3.2.2 玻璃微珠規(guī)格對加工性能的影響

將處理過的玻璃微珠與加成型硅橡膠及其硫化劑按10∶100∶10的質(zhì)量比在容器中混合均勻，混合料填入流淌性試驗(yàn)儀圓穴后刮平，豎立流淌儀，將柱塞推至極限位置，計(jì)時(shí)1 min，記錄混合料流淌最遠(yuǎn)距離/mm，見表3。

按固定質(zhì)量比添加空心微珠時(shí)，空心微珠密度越低，對流動性的負(fù)面影響越大。對于灌封工藝而言，添加密度大的空心微珠是比較理想的。

未添加微珠的加成型硅橡膠彈性較大，在剛開始進(jìn)刀時(shí)出現(xiàn)“讓刀”情況，不下屑，在“讓刀”到達(dá)硅橡膠彈性極限時(shí)，原本“讓”過去的硅橡膠一次性被切削下去，容易在加工面切出凹坑。

將處理過的玻璃微珠與加成型硅橡膠及其硫化劑按10∶100∶10的質(zhì)量比在容器中混合均勻灌注內(nèi)徑約1 m的模擬試驗(yàn)環(huán)，固定在數(shù)控車床上，控制車床轉(zhuǎn)速30 r/min，用帶涂層刀片車削，進(jìn)刀量0.1 mm/r。

切削試驗(yàn)表明，添加空心玻璃微珠的硅橡膠加工面狀態(tài)和尺寸準(zhǔn)確度明顯優(yōu)于未添加微珠的，加工面平整，加工尺寸規(guī)范?？招牟Ａ⒅榈募尤胧辜映尚凸柘鹉z彈性減弱，剛性提高，避免了“讓刀”和凹坑。此外，微珠粒徑越小，材料加工面越光滑，粒徑大則略帶顆粒感。

3.3 玻璃微珠用量對性能的影響

經(jīng)推算，當(dāng)空心微珠A質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.7%，空心微珠C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，材料中玻璃微珠的體積分?jǐn)?shù)均約為13%。玻璃微珠添加量及種類對材料性能的影響見表4。

由表4可以看出，降低空心微珠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，材料密度提高，硬度降低，力學(xué)性能提高。不同種類玻璃微珠所占的體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，材料硬度和力學(xué)性能差別不大，材料密度仍隨微珠的密度增大而提高。

玻璃微珠在硅橡膠中所占的體積分?jǐn)?shù)越大，混合料就越難流淌。體積分?jǐn)?shù)相同的2種混合料流淌性略有差別，但差別不大，形成差別的原因在于2種混合料的密度略有不同，而密度大的更易流淌。

玻璃微珠在硅橡膠中必須達(dá)到一定的體積分?jǐn)?shù)后，硅橡膠才能具備較好的加工性能。

4 結(jié)論

為能在保證流動性能、材料性能的前提下，改善硅橡膠的加工性能，宜選擇密度大、粒徑小的空心玻璃微珠與硅橡膠按相應(yīng)質(zhì)量比配合使用；也可選擇密度和粒徑都小的空心玻璃微珠，但須適當(dāng)降低微珠的用量。

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