高硬度特性 - Wacker Chemie AG


高硬度特性

迄今为止,不论是硬度还是刚性,普通液体硅橡胶的硫化胶制品都无法与热塑性塑料或热固性塑料相提并论。而现在,随着瓦克ELASTOSIL® LR 3003/90的推出,这一局面将从此改变。该系列产品的硬度达到了邵氏A90,因此采用注射成型工艺生产的有机硅部件不仅尺寸稳定,而且性价比极高。

ELASTOSIL ® LR 3003有机硅测试板:该测试板的硬度值为邵氏D范围,处于弹性体和热塑性塑料之间,能够保持尺寸稳定。相反,这块普通硅橡胶的测试板在自身重力作用下会产生明显的机械形变。

液体硅橡胶可以通过全自动注射成型工艺进行加工,因此能够经济高效地实现有机硅制品的工业化生产。有机硅制品生产商的生产周期也大大缩短,在理想情况下甚至无需再进行二次修整,就连尺寸最小、精度要求高、形状很复杂的成型件也能够轻松加工。该加工方法的自动化程度很高,只需极少数的操作人员。

不过,普通的液体硅橡胶制成的硫化胶制品有一个明显缺陷:其尺寸稳定性达不到某些特殊应用领域的要求。“即便是目前市面上硬度最高的液体硅橡胶,其刚性也完全比不上热塑性塑料和热固性塑料。”瓦克技术营销部门液体硅橡胶产品线负责人Thomas Frese博士解释道。液体硅橡胶固化后的硬度值通常处于邵氏A范围。

ELASTOSIL® LR 3003系列产品拉伸试验:从应力-应变曲线(请见左边的图表)的斜率可以看出,固化后,ELASTOSIL® LR 3003/90具有极高的刚性。

目前,瓦克推出了一款新的液体硅橡胶,进一步扩大了其饱受赞誉的ELASTOSIL® LR 3003产品系列。该产品的硫化胶具有极佳的尺寸稳定性,硬度值可达到邵氏D范围。在性能方面,这款新产品位于弹性体和热塑性塑料之间。“由这款液体硅橡胶制成的部件,其出众的尺寸稳定性是过去的液体有机硅弹性体所无法比拟的。”瓦克有机硅业务部门硅橡胶解决方案业务团队负责人Wolfgang Schattenmann博士解释说。和其他所有的液体硅橡胶一样,这款新产品也可通过铂催化加成反应进行固化,固化过程中有机硅聚合物会与交联剂反应,生成三维网状结构。这种网状结构越致密、硅橡胶所含增强填料越多,固化后得到的弹性体的硬度和刚性就越高。

巧妙的搭配

致密的网状结构和较高的填料含量可能在加工过程中引发一些问题。首先,高填料含量会大大提高硅橡胶的粘度,导致硅橡胶几乎无法通过注射成型工艺进行加工。其次,高交联密度的硅橡胶,其固化过程通常要比交联密度低的硅橡胶更加费时,这就意味着注射成型周期将被拉长。这样,注射成型加工原本经济实惠的优势可能将不复存在。“开发ELASTOSIL® LR 3003/90产品时,我们的化学师通过巧妙地选取和搭配有机硅聚合物和填料,找到了避免上述缺陷的方法。”Schattenmann强调说。

针对这款新产品的硫化胶测试,主要集中在加工工艺和机械性能两个方面:静止状态时,ELASTOSIL® LR 3003/90在室温下呈膏状,具有剪切变稀性;当剪切力提高时,其粘度会降低。即使剪切速率为1 s-1,其粘度也能降至800,000 mPa·s左右。因此,采用市售混合计量设备即可将该产品送入注射装置。与有机硅制品生产商习惯使用的ELASTOSIL® LR 3003系列的其他牌号产品一样,这款产品也能够快速固化。“ELASTOSIL® LR 3003/90能够轻松进行注射成型加工,从而降低有机硅成型件的大规模生产成本。”该产品的开发人员、博格豪森应用实验室负责人Frese如此解释。

硬度与橡胶锤不相上下

实验室工作人员采用邵氏A和邵氏D硬度测试仪测定了硫化胶的硬度:邵氏A90或邵氏D33,与橡胶锤或鞋跟的硬度大致相同。橡胶熊的硬度为邵氏A10,橡皮擦的硬度约为邵氏A30,而汽车轮胎胎面的硬度一般在邵氏A55-A70之间。

“这种新材料具有很多优异特性,超乎寻常的硬度只是其中之一。”Frese强调说,“即便你采用人工方式将一块由ELASTOSIL® LR 3003/90制成的薄板进行弯曲,你也能感觉得出这种固化材料的刚性是很高的。”硫化胶还具有很强的抗变形性能。这就意味着,单端固定的测试板在自重作用下不会发生下垂现象。如果变形力撤除,测试板能够迅速恢复原样——橡胶专业人士通常将这一性能——动态回弹性极强的自发弹性——称之为“反跳”(Snap)。尽管具有高硬度和出色的尺寸稳定性,硫化胶还表现出不同寻常的弹性,因此也具有良好的密封性能。

应力-应变图中的曲线代表ELASTOSIL® LR 3003产品系列中的不同牌号产品,其中包括硬度为邵氏90的ELASTOSIL® LR 3003/90(红色)。该产品在应力作用下几乎没有产生任何应变。

瓦克实验室工作人员采用拉力测试仪对该材料进行了测试,并根据测试结果绘制出一条应力-应变曲线,获得了更多刚性和弹性方面的详细信息。例如,如果将该材料制成的测试样品拉伸20%,所需的拉力要比ELASTOSIL® LR 3003产品系列中其他产品所需的拉力大得多。

我们用一个应力-应变图表来阐明这一区别。在低偏转力的情况下,新产品的曲线走势十分陡峭,在很长的一段范围内几乎呈直线。“其他牌号产品的曲线则平缓得多。”Frese指出,“即使是硬度为邵氏80的产品和最新开发的邵氏90的产品之间,也存在天壤之别。”应力-应变曲线的陡峭程度说明ELASTOSIL® LR 3003/90的硫化胶具有超乎寻常的高弹性模量,与硬弹簧类似。

表面极其光滑

有机硅弹性体

有机硅弹性体是一种由聚有机硅氧烷组成的固体橡胶弹性材料,可通过硅橡胶混合物固化(硫化)工艺制得。其中,由有机硅大分子构成的聚合物链形成三维网状结构。有机硅弹性体具有极强的耐热性、低温柔性、化学惰性和生物相容性,这些特性使其成为众多工业应用中不可或缺的材料。有机硅弹性体具有憎水性极强的表面,同时允许特定气体通过,并且还是一种极佳的电绝缘材料。其典型特征是具有高耐抗性,可抵御各种物理和化学因素的影响——这正是它们不像有机橡胶那样会出现老化的原因所在。因此,有机硅的化学、物理和技术特性能够在-50°C到+200 °C的温度范围内保持恒定——即使在极高温度下也可通过热稳定剂保持不变;此外,它们还能持久承受机械应力和电应力,并可持续暴露在氧气、臭氧和紫外线辐射下。

ELASTOSIL® LR 3003/90还有一项特性:其硫化胶表面相对较为光滑。有机硅弹性体的表面一般比较粗糙,其防滑性能随着硬度降低而提高。在机械密封和活塞运动等应用领域,有机硅部件之间存在相互摩擦。而ELASTOSIL® LR 3003/90由于表面摩擦系数相对较低,在此类应用中颇受青睐。

在硬度和刚性方面,该新型材料与热固性塑料及热塑性塑料较为接近,同时还兼具有机硅的典型性能,而且加工成本较低。“因此,当需要大批量生产高硬度及高尺寸稳定性的有机硅部件时,ELASTOSIL® LR 3003/90堪称首选材料。”Schattenmann如是解释道,“而有机硅本身的性能反而不是制造商关注的重点。”此外,这款有机硅在采用注射成型加工时,不仅生产效率高,而且缺陷率极低,这也是制造商选择这款新产品的主要原因之一。正是由于这些优点,ELASTOSIL® LR 3003/90可用作热固性塑料和热塑性塑料的理想替代品。

测量有机硅测试板的表面摩擦系数。

此外,ELASTOSIL® LR 3003/90液体硅橡胶固化后极其适合用作双组分成型件中的硬组分。这种硬软复合部件,即由一硬一软两种材料制成的塑性成型件,被广泛使用于几乎所有工业领域,其中包括电动牙刷、电动工具手柄、瓶盖、潜水面罩、以及电气系统中的线束密封圈等,不一而足。软质材料通常用于弥合不同组件之间的公差。另外,由于其手感更好,它还被用作密封材料。特别是在汽车行业,这种同时带有刚性和弹性两种材料的组件被用来制作通风窗盖板胶条、变速杆导向器、门锁模块、门槛缝条以及挡风玻璃盖板等。

只要采用合适的机械设备和模具,将ELASTOSIL® LR 3003/90硬质有机硅与其他较软的液体硅橡胶相结合,便可以通过注射成型工艺大规模生产完全由有机硅材料制成的硬软复合部件,而且成本效益极高。例如,可以将软质有机硅喷射到由ELASTOSIL® LR 3003/90制成的刚性有机硅基材上,制成密封唇。

而在过去,一般是将热塑性硬组分与柔软的有机硅弹性体配合使用。使用这款全新的液体硅橡胶替代热塑性塑料作为硬组分,可以提高工艺可靠性和生产效率,因此生产商再也不用像以前那样担心两种材料(如热塑性塑料和硅橡胶)在加工条件方面的巨大差异。“因此,ELASTOSIL® LR 3003/90可以说是开启了过去液体硅橡胶无法实现的许多应用领域。”Schattenmann指出。

通过直接比较不同硬度的ELASTOSIL® LR 3003产品的摩擦系数,可以看出:ELASTOSIL® LR 3003/90的摩擦系数非常之低。