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有机+无机的巧妙组合:一文了解陶瓷化硅橡胶
2018年11月23日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:159
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虽说陶瓷是无机物,硅橡胶是有机物,但两者也并非不可结合——在防火领域,就有一种半有机半无机的材料起着至关重要的作用,那就是陶瓷化硅橡胶。至于它在性能上有什么样的转变,在应用上又会有什么突破,小编将在下文中进行整理。

 

一、研究背景

首先要知道,普通的高分子材料在经过火焰烧蚀后绝大部分都会变成灰烬或是形成融滴增加,这样不仅无法起到防火作用,而且还会火灾的风险性。因此为了提高高分子材料的耐火性能,科学家开始对具备耐火性的陶瓷化高分子材料展开研究。

 

塑料筷子燃烧

 

国外对陶瓷化高分子材料的研究最早可追溯到20世纪30年代,但直到21世纪后对陶瓷化耐火电缆的研究才有所增加。数年前,由澳大利亚的研究人员成功开发出了耐火性陶瓷化聚合物,随后由澳大利亚的CeramPolymerik公司投产。该陶瓷化聚合物甫一出世,就引起了很大的反响,至于遇火时普通的聚合物与耐火性陶瓷化聚合物的表现差异,可看下方视频对比了解。


陶瓷化聚合物材料视频中是EPDM燃烧后依旧可以保有完整的结构

(来自CeramPolymerik公司官网)

 

二、作用机制及特点

目前已研究过的可陶瓷化的聚合物有许多种,但最成功的还是陶瓷化硅橡胶。因为硅橡胶本身便拥有良好的热稳定性,且燃烧时Si-O结构会转变成连续、抗氧化、绝缘的网络状二氧化硅灰烬覆盖在表面,不仅能阻止进一步烧蚀,而这些二氧化硅粉末可以为后续的陶瓷化提供物质基础

 

在燃烧时,陶瓷化防火硅橡胶中大量被添加进的成陶填料,会在高温火焰中形成坚硬的连续陶瓷层,提高材料的耐火程度。虽然陶瓷层的形成有多种可能的方式,但最主要的是通过低熔点无机填料形成液相将分数在基体内的无机填料粘结起来

 

当添加硅酸盐类填料后,硅橡胶分解产生的二氧化硅会与硅酸盐填料发生反应,在填料的边缘形成“低共熔混合物”。此低共熔材料会在二氧化硅粒子和填料粒子之间起桥接作用,从而形成凝聚的陶瓷化产物。

 

燃烧时填料会与基体的热解产物二氧化硅产生共晶现象,形成一层坚硬的陶瓷层

 

特点:

由于陶瓷化硅橡胶是半有机半无机材料,因此陶瓷化硅橡胶在常温下具有与普通聚合物相同的性能,但遭遇高温着火后形成的自支撑的陶瓷化产物又会有一定的强度,且能承受一定的冲击力,足以抵抗1000℃明火的烧蚀保持制品的完整性。由于陶瓷化硅橡胶无须像阻燃硅橡胶那样添加大量的卤素阻燃剂,因此燃烧时更加环保,不产生有毒气体及烟雾。且随着烧结温度的升高,其体积电阻率也会跟着下降。

 

三、填料选择

陶瓷硅橡胶中主要包含了生胶和填料等,由于填料填充量较高,因此填料的种类、粒径等对最终陶瓷体的形成有决定作用,并决定了陶瓷体的微观结构和其他性能。

 

1.补强填料

陶瓷化硅橡胶的补强填料采用白炭黑,主要是气相法白炭黑,也用沉淀法白炭黑。经过表面处理(表面处理剂有硅烷偶联剂、八甲基环四硅氧烷)的白炭黑可以有效改善硅橡胶硫化胶的强度,提高疏水性。

 

2.增量填料

增量填料对硅橡胶只起很弱的补强作用,一般与白炭黑并用,以调节硅橡胶硫化胶的硬度、改善胶料的工艺性能(如挤出性能)和降低成本。主要有石英粉(groundquatz)、硅藻土,氧化锌、钛白粉、滑石粉和碳酸钙等。用硅烷偶联剂处理的石英粉,不但提高了补强性,还能起烧结粘结剂(binder)的作用,利于陶瓷化。

 

3.成瓷填料

目前陶瓷化硅橡胶添加的成瓷填料一般是层状硅酸盐类矿物填料,呈晶体结构,具有高熔点(高耐火度)和高烧结度,且具有优良的电绝缘性能,代表性品种有以下几种。

 

①云母

云母是一种复杂的硅酸盐,种类众多,系层状晶体,晶系多样,熔点约为1800℃,甚至更高。用于陶瓷化硅橡胶的云母主要包括白云母和金云母。白云母是双八面体碱性硅酸铝,是通过钾离子层彼此弱粘结的硅酸铝片的层状结构,成分为KAl3Si3O10(OH)2金云母是三八面体碱性硅酸铝,是通过钾离子层彼此弱粘结的硅酸铝镁片的层状结构,成分为KMg3AlSi3O10(OH)2

 

 

白云母有较好的电绝缘性和耐火性,与金云母相比,烧结体尺寸稳定性和电性能较好,因此电缆之类的电气制品常用白云母。但是金云母在1000℃高温下烧结体的强度比白云母高。

 

②硅灰石

硅酸钙填充剂也是硅橡胶重要的成瓷填料,主要有硅灰石、硬硅钙石、雪硅钙石,针钠钙石、锰硅灰石等,其中以硅灰石应用最多。硅灰石是天然的偏硅酸钙(CaSiO3),三斜晶系,熔点为1540℃。用于陶瓷化硅橡胶的硅灰石为α-CaSiO3,以长径比2:1~5:1为宜(过高时挤出品的表面会失去平滑性)。

 

Zbigniew Pedzich等将硅灰石、高岭土、膨润土进行了对比试验,结果表明添加硅灰石的硅橡胶性质最稳定,燃烧后的残重最大。

 

③高岭土

高岭土是以天然高岭石为主要成分的粘土,化学成分为水合硅酸铝(Al2O3·2SiO2·2H2O),晶体为假六方片状,熔点约为1735℃。使用表面处理的煅烧高岭土更有利,可改善物理强度和电绝缘性能。

 

四、应用领域

1.防火电缆材料

陶瓷化硅橡胶最主要的应用是防火电缆材料。在应急电路系统中,电缆材料需要在火灾发生的情况下保证电路的正常运行。陶瓷化硅橡胶防火电缆与传统氧化镁矿物绝缘防火电缆和云母带绕包的耐火电缆相比,具有安全性好、施工方便、节约成本的优势。

 

 

2.防火墙及其他

陶瓷化硅橡胶用作防火墙时能够在高温火焰下形成耐火陶瓷层,防止火焰穿透,在飞机中使用阻燃陶瓷化硅橡胶防火墙能防止火焰在机舱中的蔓延。除此之外,它还有其他十分广泛的应用,如防火门、防火板、建筑防火涂层、发泡防火高温处理材料、火箭发射平台高温隔火层等。

 

资料及图片:

CeramPolymerik公司官网

阻燃陶瓷化硅橡胶的制备与性能研究,王聪鹏。

陶瓷化硅橡胶,谢忠麟。

 

粉体圈 小榆


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