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，應當選用密度大、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，但須適當降低微珠用量。

關鍵詞：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 文獻標識碼：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。對于要求進行精細機械后加工的硅橡膠制件，若彈性過大，當刀具接觸硅橡膠時，硅橡膠會因彈性而變形，嚴重影響機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，達到改善硅橡膠機械加工性能的目的。

空心玻璃微珠是一種高強度、高硬度、惰性的中空球形顆粒，主要成分為SiO2和Al2O3。與現在廣泛應用的傳統填料相比，它具有質輕、絕熱、隔音、高分散、耐高低溫、耐腐蝕、壓縮強度高、電絕緣性和熱穩定性好等優點。目前，將其用于聚氯乙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、有機硅樹脂等的改性研究已有報道[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 實驗部分

2.1 原材料、試劑和設備

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，工業級，市售。

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

2.2 試片的制備

將玻璃微珠與六甲基二硅氧烷按質量比20∶1加入旋轉處理器，室溫下旋轉處理1 h，再于135 ℃旋轉處理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的質量比混合均勻并真空抽出氣泡，在平板壓機上硫化制成標準試片，然后進行性能測試。

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，硫化后稱量試樣質量m1，計算試樣體積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，稱量試樣質量m2，計算試樣體積v2。分別按式（1）計算密度。

密度=m1×m2/（12×m2×v1-11×m1×v2） （1）

3 結果與討論

3.1 玻璃微珠規格與密度測算

市售的玻璃微珠通常標注其堆砌密度，但堆砌密度不能反應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 玻璃微珠規格對性能的影響

3.2.1 玻璃微珠規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的質量比在容器中混合均勻制片，按對應的標準方法測試材料性能，見表2。

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

材料的力學性能主要受微珠的粒度范圍影響。隨著微珠粒徑增大，材料的力學性能下降。這是因為在同樣的表面處理條件下，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的質量比在容器中混合均勻，混合料填入流淌性試驗儀圓穴后刮平，豎立流淌儀，將柱塞推至極限位置，計時1 min，記錄混合料流淌最遠距離/mm，見表3。

按固定質量比添加空心微珠時，空心微珠密度越低，對流動性的負面影響越大。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，在剛開始進刀時出現“讓刀”情況，不下屑，在“讓刀”到達硅橡膠彈性極限時，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的質量比在容器中混合均勻灌注內徑約1 m的模擬試驗環，固定在數控車床上，控制車床轉速30 r/min，用帶涂層刀片車削，進刀量0.1 mm/r。

切削試驗表明，添加空心玻璃微珠的硅橡膠加工面狀態和尺寸準確度明顯優于未添加微珠的，加工面平整，加工尺寸規范。空心玻璃微珠的加入使加成型硅橡膠彈性減弱，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

經推算，當空心微珠A質量分數為2.7%，空心微珠C的質量分數為8%時，材料中玻璃微珠的體積分數均約為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，降低空心微珠的質量分數，材料密度提高，硬度降低，力學性能提高。不同種類玻璃微珠所占的體積分數相同時，材料硬度和力學性能差別不大，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數越大，混合料就越難流淌。體積分數相同的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到一定的體積分數后，硅橡膠才能具備較好的加工性能。

4 結論

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質量比配合使用；也可選擇密度和粒徑都小的空心玻璃微珠，但須適當降低微珠的用量。

參考文獻

[1]李軍偉，朱森，吳湘鋒.影響中空玻璃微珠填充PS復合材料性能的因素[J].合成樹脂及塑料，2011，28（2）：12-15.

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