一种硅橡胶泡沫材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及硅橡胶材料技术领域，具体涉及一种硅橡胶泡沫材料及其制备方法。

背景技术

硅橡胶泡沫材料是硅橡胶经过发泡制成的多孔性高分子弹性材料，又称海绵硅橡胶或微孔硅橡胶。硅橡胶泡沫材料不仅可以保留硅橡胶材料本身的优点，而且还具有轻质的特点，减震性能优异。然而，现有的硅橡胶泡沫材料普遍存在导热系数高、力学性能较差等缺陷，应用受到了很大限制。目前，主要是通过在硅橡胶泡沫材料中添加膨胀微球、中空玻璃微珠、蒙脱土等填料来达到降低材料导热系数或增强材料力学性能的效果，无法同时实现硅橡胶泡沫材料导热系数的降低和力学性能的增强。

因此，开发一种力学性能优异、微孔孔径分布均匀、导热系数低的硅橡胶泡沫材料具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅橡胶泡沫材料及其制备方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种硅橡胶泡沫材料，其由以下质量份的原料制成：

α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷：100份；

端乙烯基聚二甲基硅氧烷：40份～60份；

正丁醇：8份～20份；

中空玻璃微珠：4份～20份；

二氧化硅气凝胶粉末：4份～20份；

含氢聚硅氧烷：16份～32份；

催化剂：1份～3份。

优选的，所述α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷的粘度为3000mPa·s～5000mPa·s。

优选的，所述端乙烯基聚二甲基硅氧烷的粘度为2000mPa·s～5000mPa·s。

优选的，所述中空玻璃微珠的粒径为2μm～150μm。

优选的，所述中空玻璃微珠进行过等离子体表面处理。利用等离子体对中空玻璃微珠进行表面处理，有助于提高中空玻璃微珠与硅橡胶泡沫材料的相容性，进而可以改善硅橡胶泡沫材料的力学性能。

优选的，所述二氧化硅气凝胶粉末为硅烷偶联剂表面改性的二氧化硅气凝胶粉末。利用硅烷偶联剂对二氧化硅气凝胶粉末进行表面改性，有助于提高二氧化硅气凝胶粉末与硅橡胶泡沫材料的相容性，进而可以改善硅橡胶泡沫材料的力学性能。

优选的，所述硅烷偶联剂表面改性的二氧化硅气凝胶粉末通过以下方法制备得到：将硅烷偶联剂用溶剂分散制成改性溶液，再加入二氧化硅气凝胶粉末，进行超声分散，离心，离心得到的固体进行干燥，即得硅烷偶联剂表面改性的二氧化硅气凝胶粉末。

进一步优选的，所述硅烷偶联剂表面改性的二氧化硅气凝胶粉末通过以下方法制备得到：将硅烷偶联剂用乙醇溶液分散制成改性溶液，机械搅拌30min～60min，再加入二氧化硅气凝胶粉末，机械搅拌30min～60min，超声分散30min～40min，离心，将离心得到的固体置于90℃～110℃下干燥6h～8h，即得硅烷偶联剂表面改性的二氧化硅气凝胶粉末。

优选的，所述硅烷偶联剂、二氧化硅气凝胶粉末的质量比为8:1～12:1。

优选的，所述硅烷偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷中的至少一种。

优选的，所述二氧化硅气凝胶粉末进行过等离子体表面处理。利用等离子体对二氧化硅气凝胶粉末进行表面处理，有助于提高二氧化硅气凝胶粉末与硅橡胶泡沫材料的相容性，进而可以改善硅橡胶泡沫材料的力学性能。

优选的，所述等离子体为氮气等离子体、氧气等离子体、氨气等离子体中的一种。

优选的，所述催化剂为铂金催化剂、异辛酸亚锡中的至少一种。

优选的，所述铂金催化剂为铂离子与乙烯基甲基硅氧烷的络合物，有效铂含量为3000ppm。

上述硅橡胶泡沫材料的制备方法包括以下步骤：

将α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、端乙烯基聚二甲基硅氧烷、正丁醇、中空玻璃微珠和二氧化硅气凝胶粉末混合均匀，得到混合物A；

将含氢聚硅氧烷和催化剂混合均匀，得到混合物B；

将混合物A和混合物B混合均匀后倒入模具，进行固化和发泡，即得硅橡胶泡沫材料。

优选的，上述硅橡胶泡沫材料的制备方法包括以下步骤：

将α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、端乙烯基聚二甲基硅氧烷、正丁醇、中空玻璃微珠和二氧化硅气凝胶粉末混合，机械搅拌30min～60min，超声分散30min～60min，得到混合物A；

将含氢聚硅氧烷和催化剂混合，机械搅拌20min～30min，超声分散20min～30min，得到混合物B；

将混合物A和混合物B混合，机械搅拌20min～30min，再倒入模具，进行固化和发泡，即得硅橡胶泡沫材料。

优选的，所述固化和发泡在100℃～120℃下进行，时间为30min～60min。

本发明的有益效果是：本发明的硅橡胶泡沫材料具有力学性能优良、导热系数较低、微孔孔径分布均匀等优点，且其制备方法简单，在建筑保温、航空航天和医疗器械等领域具有广阔的应用前景。

具体来说：

1)本发明的硅橡胶泡沫材料中添加有二氧化硅气凝胶粉末，其为疏松多孔的纳米颗粒，可以有效降低硅橡胶泡沫材料的导热系数，且二氧化硅气凝胶粉末的主要成分为二氧化硅，与硅橡胶泡沫材料的相容性较好；

2)本发明的硅橡胶泡沫材料中添加有中空玻璃微珠，其具有特殊的中空圆球结构，可以提高硅橡胶泡沫材料的孔隙率和力学性能，且中空玻璃微珠的主要成分为二氧化硅，与硅橡胶泡沫材料的相容性较好；

3)本发明的硅橡胶泡沫材料中的二氧化硅气凝胶粉末和中空玻璃微珠协同作用，可以最大限度实现硅橡胶泡沫材料导热系数的降低和力学性能的增强。

附图说明

图1为中空玻璃微珠的SEM图。

图2为实施例1中的氮气等离子体表面处理过的中空玻璃微珠的SEM图。

图3为二氧化硅气凝胶粉末的SEM图。

图4为实施例1中的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末的SEM图。

图5为实施例1中的硅橡胶泡沫材料断面的SEM图。

图6为实施例3中的乙烯基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末的SEM图。

图7为实施例3中的硅橡胶泡沫材料断面的SEM图。

图8为实施例4中的氮气等离子体表面处理过的二氧化硅气凝胶粉末的SEM图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。

实施例1：

一种硅橡胶泡沫材料，其由以下质量份的原料制成：

α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷(粘度3000mPa·s)：100份；

端乙烯基聚二甲基硅氧烷(粘度5000mPa·s)：40份；

正丁醇：10份；

中空玻璃微珠(粒径2μm～150μm，进行过氮气等离子体表面处理)：4份；

γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末：20份；

含氢聚硅氧烷：16份；

铂金催化剂(铂离子与乙烯基甲基硅氧烷的络合物，有效铂含量为3000ppm)：1份。

注：

γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末通过以下方法制备得到：将2质量份的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、5质量份的乙醇和1质量份的水混合，机械搅拌30min，再加入0.2质量份的二氧化硅气凝胶粉末，机械搅拌30min，超声分散30min，离心，将离心得到的固体置于100℃下干燥6h，即得γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末。

上述硅橡胶泡沫材料的制备方法包括以下步骤：先将α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、端乙烯基聚二甲基硅氧烷、正丁醇、中空玻璃微珠和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末混合，机械搅拌30min，超声分散30min，再将含氢聚硅氧烷和铂金催化剂混合，机械搅拌20min，超声分散20min，再将得到的两种混合物混合，机械搅拌20min，再倒入模具，再置于烘箱中，100℃烘30min，即得硅橡胶泡沫材料。

性能测试：

1)中空玻璃微珠和本实施例中的氮气等离子体表面处理过的中空玻璃微珠的扫描电镜(SEM)图分别如图1和图2所示。

由图1和图2可知：未改性的中空玻璃微珠表面光滑，而经过氮气等离子体表面处理的中空玻璃微珠表面比较粗糙。

2)二氧化硅气凝胶粉末和本实施例中的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末的SEM图分别如图3和图4所示。

由图3和图4可知：二氧化硅气凝胶粉末本身较为松散，而经过γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷表面改性后，颗粒连接更加紧密，孔洞更加明显。

3)本实施例中的硅橡胶泡沫材料断面的SEM图如图5所示。

由图5可知：中空玻璃微珠被包裹在硅橡胶泡沫材料基体中，未出现明显脱落现象，且硅橡胶泡沫材料的孔洞较为均匀。

实施例2：

一种硅橡胶泡沫材料，其由以下质量份的原料制成：

α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷(粘度3000mPa·s)：100份；

端乙烯基聚二甲基硅氧烷(粘度5000mPa·s)：60份；

正丁醇：12份；

中空玻璃微珠(粒径2μm～150μm，进行过氧气等离子体表面处理)：8份；

γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末：16份；

含氢聚硅氧烷：20份；

铂金催化剂(铂离子与乙烯基甲基硅氧烷的络合物，有效铂含量为3000ppm)：2份。

注：

γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末通过以下方法制备得到：将5质量份的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、12质量份的乙醇和2质量份的水混合，机械搅拌60min，再加入0.5质量份的二氧化硅气凝胶粉末，机械搅拌40min，超声分散40min，离心，将离心得到的固体置于100℃下干燥8h，即得γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末。

上述硅橡胶泡沫材料的制备方法包括以下步骤：先将α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、端乙烯基聚二甲基硅氧烷、正丁醇、中空玻璃微珠和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末混合，机械搅拌40min，超声分散30min，再将含氢聚硅氧烷和铂金催化剂混合，机械搅拌20min，超声分散30min，再将得到的两种混合物混合，机械搅拌20min，再倒入模具，再置于烘箱中，110℃烘30min，即得硅橡胶泡沫材料。

实施例3：

一种硅橡胶泡沫材料，其由以下质量份的原料制成：

α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷(粘度5000mPa·s)：100份；

端乙烯基聚二甲基硅氧烷(粘度5000mPa·s)：50份；

正丁醇：10份；

中空玻璃微珠(粒径2μm～150μm，进行过氨气等离子体表面处理)：12份；

乙烯基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末：12份；

含氢聚硅氧烷：20份；

铂金催化剂(铂离子与乙烯基甲基硅氧烷的络合物，有效铂含量为3000ppm)：2份。

注：

乙烯基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末通过以下方法制备得到：将2质量份的乙烯基三甲氧基硅烷、5质量份的乙醇和1质量份的水混合，机械搅拌45min，再加入0.2质量份的二氧化硅气凝胶粉末，机械搅拌40min，超声分散30min，离心，将离心得到的固体置于100℃下干燥8h，即得乙烯基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末。

上述硅橡胶泡沫材料的制备方法包括以下步骤：先将α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、端乙烯基聚二甲基硅氧烷、正丁醇、中空玻璃微珠和乙烯基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末混合，机械搅拌35min，超声分散40min，再将含氢聚硅氧烷和铂金催化剂混合，机械搅拌25min，超声分散20min，再将得到的两种混合物混合，机械搅拌20min，再倒入模具，再置于烘箱中，120℃烘30min，即得硅橡胶泡沫材料。

性能测试：

1)本实施例中的乙烯基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末的SEM图如图6所示。

由图6可知：乙烯基三甲氧基硅烷表面改性的二氧化硅气凝胶粉末与改性前相比，颗粒连接更加紧密，孔洞更加明显。

2)本实施例中的硅橡胶泡沫材料断面的SEM图如图7所示。

由图7可知：硅橡胶泡沫材料的孔洞分布均匀，中空玻璃微珠填充在硅橡胶泡沫材料基体内。

实施例4：

一种硅橡胶泡沫材料，其由以下质量份的原料制成：

α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷(粘度5000mPa·s)：100份；

端乙烯基聚二甲基硅氧烷(粘度2000mPa·s)：60份；

正丁醇：20份；

中空玻璃微珠(粒径2μm～105μm，进行过氮气等离子体表面处理)：16份；

二氧化硅气凝胶粉末(进行过氮气等离子体表面处理)：16份；

含氢聚硅氧烷：32份；

铂金催化剂(铂离子与乙烯基甲基硅氧烷的络合物，有效铂含量为3000ppm)：3份。

上述硅橡胶泡沫材料的制备方法包括以下步骤：先将α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、端乙烯基聚二甲基硅氧烷、正丁醇、中空玻璃微珠和二氧化硅气凝胶粉末混合，机械搅拌30min，超声分散60min，再将含氢聚硅氧烷和铂金催化剂混合，机械搅拌25min，超声分散20min，再将得到的两种混合物混合，机械搅拌30min，再倒入模具，再置于烘箱中，120℃烘30min，即得硅橡胶泡沫材料。

性能测试：

本实施例中的氮气等离子体表面处理过的二氧化硅气凝胶粉末的SEM图如图8所示。

由图8可知：氮气等离子体表面处理过的二氧化硅气凝胶粉末与处理前相比，颗粒连接更加紧密，孔洞更加明显和立体。

测试例：

对实施例1～4的硅橡胶泡沫材料进行性能测试，测试结果如下表所示：

表1实施例1～4的硅橡胶泡沫材料的性能测试结果

注：

表观密度：参照“GB/T 6343-1995泡沫塑料和橡胶表观(体积)密度的测定”进行测试；

压缩模量：参照“GB/T 8813-2020硬质泡沫塑料压缩性能的测定”进行测试；

压缩永久形变：参照“GB/T 6669-2008软质泡沫聚合材料压缩永久变形的测定”进行测试，利用公式(A-C)/(A-B)×100％进行计算，式中，A为初始高度(单位：mm)，B为压缩后高度(单位：mm)，C为回弹高度(单位：mm)；

邵氏A硬度：参照“GB/T531-1992硫化橡胶邵尔A硬度试验方法”进行测试；

吸水率：将样品裁成10cm×10cm×10cm的规格，称重为m

导热系数：参照“GB/T 10294-2008绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法”进行测试。

由表1可知：本发明的硅橡胶泡沫材料的密度较低、导热系数较低，且同时保持了较好的力学性能和较低的吸水性，各项性能都满足保温隔热材料的需求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。