甲基MQ硅樹脂補強的縮合型透明硅橡膠制備與性能研究

2020-12-16 10:57:24黃文哲劉光華陳永隆陳建軍黃恒超

廣州化工 2020年23期

黃文哲，劉光華，黃琪，陳永隆，陳建軍，黃恒超

(廣州市白云化工實業有限公司，廣東廣州 510540)

隨著人類物質文明的進步及面臨的日益嚴峻的能源形勢，環保、高效、低能耗照明光源的開發一直是人類追求的目標。基于半導體照明的功率型發光二極管LED(Light Emitting Diode)是一種固態冷光源，是繼白熾燈、熒光燈和高強度放電(HID)燈(如高壓鈉燈和金鹵燈)之后的第四代新光源，具有體積小、能耗低、環保、壽命長、色彩豐富等多項優點，應用前景非常廣闊[1-3]。

我國的LED照明產業起步晚，但是發展迅猛，國內LED照明產業整體規模2015年為4245億元人民幣，同比增長21%；2016年達5216億元人民幣，同比增長22.8%；2017年達6538億元人民幣，同比增長25.3%；根據智研咨詢調研數據，2018年達7374億元人民幣，同比增長12.79%；2019年達7548億元人民幣，同比增長2.4%，2006年以來我國LED產業產值規模年復合增長率達到24.38%。目前中國生產的LED產品已經占全球50%以上的市場份額，另根據國家發改委2017年發布的《半導體照明產業“十三五”發展規劃》，到2020年我國半導體照明全產業鏈產值將達10000億元。我國目前已經建立了上海、大連、廈門、南昌、深圳、揚州和石家莊7個國家半導體照明工程產業化基地，天津、杭州、武漢、東莞和西安5個國家半導體照明工程高新技術產業化基地，以及寧波國家新能源與節能照明高技術產業化基地，半導體在我國已經擁有良好的產業基礎，LED照明行業的市場前景非常廣闊[4-7]。

LED通用照明是系統工程，其照明產品主要由光源(芯片+封裝)、光源集成(或模組)、驅動、燈具總成(配光+散熱+總裝結構+外殼)四大部分組成[8]。在燈具特別是LED燈條的總成部分，為了達到防水、防潮、防塵、絕緣、透光、減震等目的，往往需要一種粘接性好、耐老化、高透光、不黃變、力學性能好的密封材料來對發光芯片和PCB線路板外部進行粘接固定與密封。

縮合型室溫硫化(RTV)硅橡膠因其具有良好的耐熱性、耐寒性、耐候性、耐化學品、耐輻照、電絕緣性和疏水性等綜合性能而受到關注[9]，特別是透光率能達到90%以上，綜合力學性能優異的縮合型室溫硫化硅橡膠，是一款非常適合LED燈具總成灌封的密封材料。

本文以甲基MQ硅樹脂，α,ω-二羥基聚二甲基硅氧烷(107硅橡膠)為基礎聚合物，配以二甲基硅油(201硅油)，交聯劑、偶聯劑、催化劑等制得了LED燈具總成灌封用縮合型透明室溫硫化硅橡膠，并研究了硅樹脂MQ值、添加量以及不同偶聯劑對硅橡膠固化速度和力學性能的影響。

1 實驗

1.1 材料和儀器

α,ω-二羥基聚二甲基硅氧烷(107硅橡膠)，宜昌科林硅材料有限公司；二甲基硅油(201硅油)，宜昌科林硅材料有限公司；甲基MQ硅樹脂，山東大易化工有限公司；甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、正硅酸乙酯部分水解縮聚物(硅-40，以二氧化硅記含量為40%-42%)、甲基三乙氧基硅烷，荊州江漢精細化工有限公司；γ-氨丙基三乙氧基硅烷，荊州江漢精細化工有限公司；二月桂酸二丁基錫，吉林市華信化工有限責任公司；甲苯，廣州光華科技股份有限公司。

DAC600.2離心高速分散機，德國FLACKTEK公司；XL-250A萬能拉力試驗機，廣州實驗儀器廠；LX-A邵爾A硬度計，上海市六菱儀器廠。

1.2 縮合型透明硅橡膠的制備

甲基MQ硅樹脂粉的溶解：將100份硅樹脂粉與100份的甲苯放入三頸燒瓶中，80 ℃下攪拌回流1小時至硅樹脂粉完全溶解，加入100份350 mPa·s 201硅油，加熱至120 ℃抽真空至0.01 MPa攪拌除甲苯5小時即得甲基MQ硅樹脂含量50%的二甲基硅油溶液。

取20000 mPa·s的107膠40份，1500 mPa·s的107膠20份，甲基MQ硅樹脂的二甲基硅油溶液0～40份，交聯劑12份，γ-氨丙基三乙氧基硅烷3份，二月桂酸二丁基錫0.5份，用離心高速分散機混合分散均勻即得縮合型透明硅橡膠。

1.3 性能測試

將制得的縮合型透明硅橡膠按測試要求制成測試樣品，硬度：采用硬度計按ASTM D 2240測試；表干時間：按GB/T 13477.5-2002測試；力學性能：采用萬能拉力試驗機按GB/T 528-2009測試；

2 結果與討論

2.1 硅樹脂的MQ值對透明硅橡膠性能的影響

MQ值是甲基MQ硅樹脂中單官能度硅氧烷封閉鏈接(M)與四官能度硅氧烷鏈接(Q)的物質的量比值，MQ值是甲基MQ硅樹脂的重要性能指標，該比值可以反映硅樹脂的整體結構和分子量的大小。

由表1可見，相同條件下，樣品1～5表干時間逐漸變長，這是由于高MQ值的甲基MQ硅樹脂摩爾質量更小，粒徑更小，比表面積更大，表面殘留的羥基更多，參與固化反應需要更長的時間；養護一段時間后，樣品1～5硬度和拉伸強度逐漸下降，表明MQ值更低的甲基MQ硅樹脂補強效果更好；樣品1～5拉斷伸長率逐漸變大，這是由于低MQ值的硅樹脂體系反應的速率更快，固化的更充分，交聯密度更高所致；綜上所述，MQ值低的甲基MQ硅樹脂反應速率快，補強效果好。

表1 硅樹脂的MQ值對透明硅橡膠性能的影響

2.2 硅樹脂的添加量對透明硅橡膠性能的影響

由表2可見，相同條件下，隨著甲基MQ硅樹脂添加量的增大，表干時間逐漸延長，這是由于硅樹脂表面含有較多羥基，反應速率相對較慢所致。對比樣品6、7、1，養護后硬度、拉伸強度、拉斷伸長率逐漸增大，說明硅樹脂的補強效果明顯；對比樣品1、8、9，養護三天內，硬度和拉伸強度逐漸下降，拉斷伸長率逐漸上升，這是由于硅樹脂添加量過大，影響了透明硅橡膠的固化速率所致，養護十五天后，硬度和拉伸強度逐漸上升，這是由于硅樹脂的添加量大，補強效果更好，拉斷伸長率逐漸下降，這是由于硅樹脂表面的羥基提供了更多的交聯點，提高了交聯密度所致。綜上所述：硅樹脂添加量過大會導致反應速率慢，伸長率小，過小會導致補強效果差。

表2 硅樹脂的添加量對透明硅橡膠性能的影響

2.3 不同交聯劑對透明硅橡膠性能的影響

由表3可見，不同交聯劑反應速率和對力學性能的影響不同，樣品10和樣品11表干時間最短，反應速率快，養護后硬度和拉伸強度相對較大，拉斷伸長率相對較小，表明甲基三甲氧基硅烷和乙烯基三甲氧基硅烷兩種交聯劑的透明硅橡膠體系韌性較差；樣品12反應速度相對較慢，表干時間相對較長，養護后的拉伸強度、硬度和拉斷伸長率適中，表明正硅酸乙酯作交聯劑的透明硅橡膠體系性能相對一般；樣品13表干時間長，反應速率慢，養護后硬度和拉伸強度都比較差，表明甲基三乙氧基硅烷反應速率太低，不適合作為本透明硅橡膠體系的交聯劑；樣品1表干時間較短，反應速率相對較快，養護后硬度和拉伸強度相對較好，拉斷伸長率最好，表明正硅酸乙酯部分水解縮聚物(硅-40)作為該透明硅橡膠體系的交聯劑綜合性能優異。綜上所述：相對上述其他四種硅烷，正硅酸乙酯部分水解縮聚物(硅-40)更適合用作本甲基MQ硅樹脂補強縮合型透明硅橡膠的交聯劑。