气相二氧化硅在胶粘剂和密封胶配方中的作用

1、气相二氧化硅能为胶粘剂和密封胶提供各种优势

配方设计师用粒子来增强胶粘剂和密封胶产品使用的现有聚合物基质的功能。气相二氧化硅通常用作流变控制添加剂来提供抗流挂性、防止填料沉降和剪切变稀黏度。通用术语“气相二氧化硅”定义了具有不同表面化学性质的一系列产品——从亲水性到疏水性。这些产品与聚合物体系具有不同相容性，从而能使配方设计师微调流变性能。

通过控制颗粒 - 颗粒间的相互作用和颗粒—基质间的界面粘附性，在同一时间，配方设计师可以增强涂膜的粘弹性反应或固化系统的材料性能。这种相互作用提供了一种牢固结合加入的硬质材料的方法，它们能延长断裂的路径，并且在界面结合处耗散能量1。这些性能能使涂膜和固体增强。

除了在流变性控制方面有文件记载的益处外，气相二氧化硅也可以增强固化的胶粘剂的强度。以下是三个例子，其中气相二氧化硅能增强聚合物的强度，从而得到更高性能的胶粘剂或密封胶。

2、甲硅烷基封端的透明聚合物

在DIY市场，客户更喜欢高清晰度的甲硅烷基封端的透明聚合物（STP）胶粘剂和密封胶。在欧洲，这些产品的生产厂家已改用透明包装，以突出这一优势。添加剂如蜡、粘土和碳酸钙通常用于流变控制和增强STP胶粘剂和密封胶的强度。这些增强助剂的选择通常会导致不透明的产品，因为这些产品的折射指数与基质不匹配。相比之下，气相二氧化硅的折射指数与这些产品中通常使用的透明聚合物非常匹配。气相二氧化硅被广泛使用来增强透明STP胶粘剂和密封胶的强度。

配方设计师在湿固化体系如STP或聚氨酯中使用亲水性气相二氧化硅，由于亲水性二氧化硅有较大的水吸附能力，他们必须解决这些体系过早固化的问题。有几种选择来解决这一问题，包括增加工艺步骤（例如预干燥亲水性二氧化硅或者在混料过程中通过加热和抽真空来除去水份），或添加其他的组分（例如化学干燥剂）。一种更好的选择是用疏水性二氧化硅来代替亲水性二氧化硅，这样可以大大减少或消除这些额外的工艺步骤。

在含有MS聚合物SAX400甲硅烷基封端的聚醚、邻苯二甲酸二异壬酯和有机锡催化剂的典型配方中加入两种疏水性气相二氧化硅添加剂。在该体系中能清楚地观察到气相二氧化硅表面化学性能对流变性的影响。疏水性较弱的气相二氧化硅添加剂具有较强的颗粒-基质间的相互作用，能提供牛顿型流变性。与此相反，疏水性较强的气相二氧化硅添加剂具有较弱的颗粒-基质间相互作用，因而颗粒与颗粒间的相互作用更强，能提供触变型的流变性，导致体系具有屈服应力或抗流挂性和剪切变稀的黏度。

使用这两种气相二氧化硅中的任何一种，都会导致颗粒-基质间的相互作用增强，从而能提高体系的拉伸强度，断裂时的伸长率增加超过了3倍。随着气相二氧化硅添加量的增加，拉伸强度和断裂伸长率都增加，但是使用非常高添加量的二氧化硅要受到限制，因为黏度也会相应增加。

3、单组份聚氨酯

与其他流变控制添加剂相比，在相同质量添加量的基准上，高比表面积的炭黑和气相二氧化硅作为增强剂都更有效。炭黑是用来增加黏度、提供抗流挂性，并提高汽车挡风玻璃胶粘剂的内聚强度。包覆的沉淀碳酸钙（PCCs）用于STP和聚氨酯胶粘剂和密封胶的流变性控制。带有疏水性涂层的那些沉淀碳酸钙（PCCs）（例如脂肪酸或硬脂酸），确实能在聚氨酯体系中得到剪切变稀的流变性，额外的益处是适度增加粘接强度。

湿固化单组分聚氨酯胶粘剂的搭接剪切强度的增加，该体系是由NCO含量<2%的聚氨酯预聚物、邻苯二甲酸二异壬酯增塑剂、研磨过的碳酸钙填料和有机锡催化剂组成，同时添加疏水性气相二氧化硅或包覆的沉淀碳酸钙（PCCs）。

在相同质量的基础上，在该体系中，处理过的气相二氧化硅能提供比沉淀碳酸钙（PCC）明显更强的粘接强度。在较低添加量时加入，气相二氧化硅具有比碳酸钙更低的比重，从而对胶粘剂的质量的贡献大大降低，这在应用时是有益处的，因为胶粘剂的质量也是一个问题（例如汽车轻量化）。

4、压敏

气相二氧化硅聚集体通常被用来改善由天然橡胶、聚氯丁二烯、丙烯酸酯和许多其他水性胶乳乳液形成的膜的加工过程和性能特征。这些亚微米级高比表面积的颗粒可以减少干燥时间，通过调节毛细管压力而减轻裂纹的形成，并提高最终产品的机械性能。预分散的气相金属氧化物为将这些粒子加入到胶粘剂膜中提供了简单而有效的“倾入”方法。

由于加入了这种高度分散的气相二氧化硅，已经观察到水性压敏胶粘剂（PSA）的内聚剪切强度和热机械性能有了显著改进。为PSA用途配制了气相二氧化硅含量范围为0〜15％（质量比）（干质量）的水性丙烯酸乳液，制备了这些胶粘剂的漆膜。

将乳液刮涂在Mylar背衬材料上形成涂膜，将湿膜在〜110℃的烘箱中干燥20～40分钟。将干膜在室温下冷却，背面衬上涂过蜡的粘性处理纸，在控制的速率下用17磅的重量滚轧，然后在测试前在常温下放置24小时。干膜的干膜厚度（DFT）为1～1.3微米。

在双排、8位剪切烘箱中测量膜的剪切强度与剪切力（1.1〜4.4psi）和温度（室温至100℃）的关系。通常评价刮涂得到的四个或者更多个胶粘剂样品，得到失效时间的相对标准偏差约为15％或更低。计算膜剪切强度的增强时，以没有用粒子增强的膜的平均失效时间为基准来计算的膜的平均失效时间来表示。

当气相二氧化硅的用量低至百分之几（质量比）时，剪切测量显示剪切强度有显著的增加。例如，在室温评价时，在4％（质量比）的添加量时，胶粘剂的剪切强度增加8～20倍，这取决于剪切力。在更高的添加量％（如8～15％）和较高的温度（如100℃）时，剪切强度随气相二氧化硅添加量的增加，结果是更加惊人。与没有用粒子增强的膜相比，粘接剪切强度通常会增加千余倍。目前正在研究，通过添加气相二氧化硅分散体导致这些胶粘剂膜中化学键的形成情况，因为这种增强的水平是出乎意料的。不管剪切强度增强的来源是什么，薄膜的内聚强度显著增强。

也对用和不用气相二氧化硅增强的PSA薄膜的剥离强度进行了评价（用化学仪器公司的粘接/释放的AR-1000剥离测试仪进行测量）。以控制的速率采用7磅的力将10×1英寸的胶粘剂条带滚轧到不锈钢粘附物上；从滚轧结束到剥离试验之间的时间间隔为1分钟。剥离强度的下降随气相二氧化硅加量的增加关系相当缓和：在0～4％（质量比）气相二氧化硅的范围内，剥离强度线性下降为其初始值的～75％。在4～8％（质量比）气相二氧化硅时，观察到剥离强度没有进一步降低。

对于需要通过添加增粘剂来提高粘附力的产品，通过添加气相二氧化硅导致的增强显示，完全超过了补偿因增粘剂的加入（例如，Tacolyn3509）而下降的剪切强度。使用普通量的增粘剂导致的剪切强度下降20％～40％，通过使用2％～4％（质量比）的气相二氧化硅增强，很容易将前面的下降值恢复。