气相二氧化硅在硅橡胶中有哪些应用

气相二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,由于其粒径很小，因此比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。

在高温硫化（HTV）硅橡胶中的应用

气相二氧化硅的使用可以分为有机硅材料和其它领域，其中在有机硅材料中的用量占气相二氧化硅总用量近60％，硅橡胶是有机硅材料中使用气相二氧化硅最多的材料，其添加量可高达50％以上。气相二氧化硅在HVT硅橡胶中主要起补强作用，由于硅橡胶分子链非常柔顺，链间相互作用力较弱，因此未经补强的硅橡胶强度非常低（不超过0.4MPa），没有使用价值，必须经过补强之后才能应用，而经过气相二氧化硅补强的硅橡胶，其强度提高可达40倍。

对HTV硅橡胶力学性能的影响

气相二氧化硅对HTV硅橡胶的补强受其粒径、比较面积和结构性的影响，一般是粒径越小，比表面积越高，结构性越高，补强效果越好，硫化胶的强度、硬度越高。此外，气相二氧化硅的用量和它在基质中的分散好坏对硫化胶的性能影响也非常大，图1是气相二氧化硅用量对硫化胶拉伸强度的影响图。从图中可以看出，随着气相二氧化硅用量的增加，硫化胶的强度增加，一般是用量在35-50份时达到峰值。关于气相二氧化硅对硅橡胶的补强机理及模型也非常多，比较认可的解释是气相二氧化硅表面的自由羟基与硅橡胶分子形成了物理或化学结合，在二氧化硅表面形成硅橡胶分子吸附层，构成气相二氧化硅与硅橡胶分子联成一体的三维网络结构，从而有效限制硅橡胶分子链的形变而其到补强作用。硫化胶的撕裂强度的变化情况与拉伸强度相似，都是随着气相二氧化硅的补强性提高而增加，随气相二氧化硅的用量增加而先增加，达到峰值后稍微下降。

对HTV硅橡胶加工性能的影响

气相二氧化硅对HTV硅橡胶加工性能的影响一般是以结构化程度（∆Crepe）表示，∆Crepe等于混炼胶在室温下存放28天后的可塑性值（p28）和混炼完后立即测定的可塑性值（P0）之差，胶料的可塑性值与气相二氧化硅的用量、表面性质和结构性有关。产生结构化的原因是由于气相二氧化硅的表面羟基与硅橡胶中的氧原子形成氢键以及二氧化硅表面吸附硅橡胶分子链，导致胶料随着时间的延长，其流动性下降，胶料变硬，影响加工性能。因此在使用过程中都需要加入结构控制剂或者选择经过表面处理的气相二氧化硅，结构控制剂的加入以及气相二氧化硅的表面处理，都是通过结构控制机或表面处理剂与二氧化硅表面的硅羟基反应，从而减少表面羟基数量，使得与硅橡胶形成氢键的数量下降，使混炼胶的混炼时间缩短，可塑性增加，起到降低结构化效应，提高加工性能和储存稳定性的目的。

在室温硫化（RTV）硅橡胶中的应用

室温硫化（RTV）硅橡胶，在产品形态上分为单组分（RTV-1）和双组分（RTV-2）两大类；从硫化机理上又分为缩合型和加成型两个体系。各种形态的室温硫化硅橡胶，都需要用填料补强才有使用价值，目前，气相二氧化硅是使用最多也最有效的RTV硅橡胶补强填料。由于RTV硅橡胶一般作为浇注、嵌缝、涂复等密封材料，为了保持硫化前的粘度和流动性，所以气相二氧化硅的添加量一般比高温硫化硅橡胶少的多，并且经常与其它补强和半补强填料一起使用，以便于施工操作。

对RTV硅橡胶拉伸强度和硬度的影响

气相二氧化硅是RTV硅橡胶非常有效的补强填料，可以显著提高其强度。这一方面是由于气相二氧化硅粒子的小尺寸效应和大的比表面积；另一方面是因为其表面含有很多硅羟基，粒子可以通过氢键和范德华力的作用形成网络结构，同时二氧化硅粒子也与聚硅氧烷分子产生强的相互作用，改善了界面粘结。气相二氧化硅粒径越小，比表面积越大，粒子与胶料的接触面大，结合点多，对RTV硅橡胶的补强性能越好，硫化胶的拉伸强度、撕裂强度、耐磨性、硬度也高，但同时分散变得非常困难，弹性下降，加工性能恶化，因此，RTV硅橡胶一般选用比表面积相对较低（200m2/g以下）的气相二氧化硅作为填料[16]。未经补强的硅橡胶硫化之后呈脆性，加入气相二氧化硅补强后，硅橡胶的硬度随二氧化硅的加入量的增加而上升。

对RTV硅橡胶流变学性能的影响

气相二氧化硅聚集体具有立体分支结构，可以在分散体系中形成一种相互作用的网络，利用这用特性，气相二氧化硅在密封胶领域，作为增稠剂和触变剂，可以增加粘度，保证胶料的自由流动性，具有防止结块、流挂、塌陷等作用。气相二氧化硅的增稠和触变机理主要是通过表面硅羟基的氢键的相互作用来实现的，当其聚硅氧烷中分散后，不同粒子间通过其表面的硅羟基产生氢键作用，形成一个二氧化硅网络，使体系的流动性受到限制，粘度增加，起到增稠的作用；在受到剪切力的作用时，二氧化硅网络收到破坏，导致体系粘度下降，发生触变效应，有利于施工。一旦剪切力消失，氢键重新形成，二氧化硅网络又重新恢复，RTV硅橡胶胶料体系的粘度也逐渐回升，有效防止了胶料在硫化过程中的流挂现象[17]。体系的防流挂特性与材料在使用时受到的剪切之后的屈服值和网络还原率密切相关。实际应用中，屈服值越高，胶料的防流挂性能越好。理想的胶料应该具有高屈服值、高剪切稀释指数和快速的还原率。

对RTV硅橡胶性能的影响

在RTV硅橡胶中添加气相二氧化硅时，必须注意其在聚合物中的分散程度。在分散过程停止后，达到最佳分散状况的气相二氧化硅会在系统中形成完整的网络，具有高粘度和优良的触变特性，胶料受到剪切力作用时，粘度大幅度下降，呈现出一定的流动性，剪切力解除后，粘度会迅速恢复；如果分散不够或者过度分散，都只会形成部分气相白炭黑网络，导致较低的粘度和较差的触变特性。在透明体系中，透光度越高，则表明白炭黑的分散度越好。相同的分散条件下，含有较大比表面积气相二氧化硅产品一般具有较好的透明度。

综上所述，气相二氧化硅是硅橡胶必不可少的补强材料，由于其独特的性能，它也在其它领域，如：涂料、油墨、医药、化妆品以及化学机械抛光（CMP）等得到了广泛应用，发展前景也十分光明。