近年来，从医疗器械到消费品，硅胶材料已成为各种应用中越来越受欢迎的合成材料。通常，硅胶材料的一些常见形式包括硅油、油脂、橡胶、树脂和填缝剂。今天，我们主要讨论硅橡胶。硅橡胶是一种由硅、氧、碳和氢制成的合成弹性体，具有稳定的结构，可抵抗高温、化学品和极端天气条件。其优异的性能使其成为不同应用的首选。
本文提供了有关硅橡胶的基本指南，并讨论了其定义、类型、应用等。您将了解有关硅橡胶的更多信息以及这种化合物的一些显著的优点和缺点。
什么是硅橡胶？
硅橡胶是一种由含有硅、氧、氢和碳的硅聚合物制成的弹性材料。它具有类似橡胶的弹性，但保留了硅的一些耐高温和耐化学腐蚀性能。经常添加增强填料来改善撕裂强度、伸长率和抗压缩变形等性能。
硅橡胶通常不反应、稳定，可耐受恶劣环境和 -55 至 300 °C (-70 至 570 °F) 的温度，同时保留其有益性能。由于其有用的特性以及易于生产和成型，硅橡胶可用于许多产品，包括电压线绝缘体、食品储存产品、服装、电子设备、医疗设备、植入物、硅酮密封胶等。
需要注意的是，硅橡胶在未固化时通常是一种高粘性的凝胶或液体。因此，必须对其进行固化、硫化或催化才能变成固体。这通常在制造时分两阶段进行，形成所需的形状，然后是漫长的后固化阶段。通常，硅橡胶可以使用铂催化固化系统、缩合固化系统、过氧化物固化系统或肟固化系统进行固化。并且，可以通过施加热量或压力来加速铂催化固化系统的固化过程。
硅橡胶简史
以下是硅橡胶的简要历史：
- 20 世纪中期 – 硅橡胶最早由道康宁和通用电气等化学公司于 20 世纪中期开发。硅橡胶是 20 世纪上半叶早期硅胶研究的产物。
- 20 世纪 40 年代 – 第一批硅橡胶于 20 世纪 40 年代问世。二战期间，硅橡胶在飞机和潜艇的绝缘、密封和缓冲等应用中发挥着重要作用。这激发了人们对硅材料的兴趣，并投资于新配方。
- 20 世纪 50 年代 – 20 世纪 50 年代，人们改进了硅胶的加工工艺，使其物理性能更佳，更适合消费品应用。室温硫化 (RTV) 硅胶问世，生产过程中不再需要高温。
- 20 世纪 60 年代和 70 年代 – 20 世纪 60 年代和 70 年代见证了硅胶市场的快速增长和产品多样化。液体注塑和挤出方法被开发出来，用于生产汽车和电气用途的复杂部件。医用级硅胶推动了可植入设备等重大医疗创新。
- 20 世纪 80 年代 – 20 世纪 80 年代，硅橡胶的全球扩张步伐加快，尤其是在亚洲和拉丁美洲。硅橡胶在世界各地被广泛用于汽车零部件、炊具产品、粘合剂、密封剂和垫圈。
- 20 世纪 90 年代和 21 世纪初 – 20 世纪 90 年代和 21 世纪初，液态硅胶和高稠度橡胶材料被引入电子、医疗设备和高性能密封件等专业应用领域。然而，日益增长的环境问题也导致了硅胶制造和复合材料法规的增多。
- 如今，硅橡胶助力替代能源、电动汽车和先进材料等新兴技术的发展。尽管硅橡胶因可持续性问题而饱受诟病，但业界已开始研发“更环保”的化学产品和改进的回收能力。
硅橡胶是如何制成的？
硅橡胶是含有硅和氧的交联聚合物链的弹性体。硅橡胶制造的基本步骤包括以下内容：
步骤 1：混合
将有机硅聚合物、填料和添加剂混合成均质原料混合物。具体成分根据最终产品的所需特性进行定制。
步骤 2：复合
在高温和高压下对原材料进行揉捏，使所有成分充分分散。这样就产生了一种未固化的塑料材料，称为基料，可以模制成不同的形状。
步骤 3：塑形
基础化合物通过挤压（用于软管、管材等）、轧制成片或使用注塑或压缩成型工艺制成更复杂的部件来成型。这些形状将在硫化后成为最终产品。
步骤 4：硫化
成型材料经过硫化，即使用产生热量的固化剂来交联聚合物链。该过程可以在高温下进行（称为高温硫化或 HTV 的过程），也可以在室温下进行（称为室温硫化或 RTV）。
在 HTV 中，零件在加热压机中硫化几分钟。这会产生最适合工业应用的高强度硅橡胶。RTV 使用铂基催化剂，允许在环境温度下发生交联。RTV 硅胶可以在 24 小时内相对较快地固化，适用于密封和粘合。
步骤 5：后处理
硫化部件有时会经过最终稳定或表面处理，如打蜡或涂层，然后才切割并制成最终产品。这些后处理可提高耐用性和外观。
硅橡胶的种类
关于硅橡胶的种类，我们可以根据其有机基团和分子结构进行分类。让我们仔细看看它们。
按有机基团分类
硅橡胶的有机基团可以包括甲基、乙烯基、苯基等。当硅橡胶根据有机基团进行分类时，分类包括以下术语：
- 甲基 –甲基也被称为二甲基硅橡胶或甲基硅橡胶。它被称为 MQ。它们是最早开发的基础硅橡胶。
- 甲基和苯基 –甲基和苯基也被称为甲基苯基硅橡胶/弹性体或苯基硅橡胶。它被称为 PMQ。它在低温下性能优异。
- 甲基和乙烯基 – 甲基和乙烯基也称为甲基乙烯基硅橡胶弹性体/橡胶。它被称为 VMQ，具有良好的压缩特性。这种类型的硅橡胶是最常用的，因为乙烯基有助于硫化。
- 甲基、苯基和乙烯基 –甲基、苯基和乙烯基也称为 PVMQ。它还因其良好的低温性能而闻名。
- 氟、乙烯基和甲基 –氟、乙烯基和甲基也被称为氟化橡胶或氟硅橡胶。FVMQ 也指此类橡胶。它们对油、燃料和溶剂的化学耐受性更强。
根据分子结构分类
根据分子结构对硅橡胶进行分类时，主要有三种类型：高温硫化 (HTV) 硅橡胶、室温硫化 (RTV) 硅橡胶和液体硅橡胶 (LSR)。
HTV 硅橡胶由高分子量的聚合物组成。它们具有相对较长的聚合物链，并且处于未固化状态。通常，它们需要传统的橡胶加工技术。
热固化弹性体是粘度较高的橡胶。它们的加工和组合方式与其他弹性体类似。有机过氧化物或铂催化剂在高温下固化这些物质。
固体硅橡胶用于制造垫圈、密封件、软管和电线绝缘层等高性能部件。特别适用于汽车和航空航天应用。然而，由于硫化温度高且需要高压成型设备，因此加工起来比较困难。因此，它仅限于简单的部件形状。
这种硅橡胶在室温下使用铂催化剂硫化，无需加热。RTV 硅橡胶是一种由单组分 (RTV-1) 或双组分 (RTV-2) 系统制成的硅橡胶。它们的硬度从非常软到中等不等。通常，室温硫化硅橡胶更容易加工，因为它可以使用简单的设备进行模制或挤出，并铸造成更复杂的形状。它们可用于灌封、封装、粘合剂、密封剂、保形涂层、低温垫片、工业和消费行业以及其他应用。
液体硅橡胶是三种类型中分子链最短的，因此聚合物分子量较低。因此，可以使用专门的设备对其进行挤出或注塑。此外，这种硅橡胶更耐候、透明，流动性也更好。
LSR 是一种低粘度、高纯度的热固性弹性体。它可以在 150-210°C 下进行注塑成型，以生产其他硅胶无法实现的复杂几何形状的高精度部件。这种热固化弹性体在极端环境下具有出色的光学清晰度和长期耐用性。LSR 通过缩短周期时间、减少材料浪费和使用较小的机器来大大提高生产率。它可用于消费电子产品、医疗设备、汽车传感器和食品接触应用。
硅橡胶的优点和缺点
虽然硅橡胶的性能优势在高温和化学要求苛刻的应用中无可比拟，但其缺点促使人们不断研究改进和更可持续的材料选择。以下是硅橡胶的主要优点和缺点：
优点：
- 卓越的耐高温性和柔韧性：耐高温和柔韧性是硅胶的两项出色特性。根据变体，这种材料可承受从 -150 到 550 ℉ 的温度，然后才会变脆或熔化。它的抗拉强度为 200 到 1500 PSI，最大伸长率为 700%。
- 低压缩变形：由于应力松弛小，硅橡胶在长时间压缩后仍能保持其原始形状。释放后，它将恢复到正常尺寸的近 100%，且永久变形最小。这对于记忆至关重要的密封和封闭应用非常重要。
- 优异的耐候性和抗紫外线性能：硅橡胶对阳光、臭氧和天气的损害具有很强的抵抗力。它可以在户外使用 30-50 年而不会破裂。硅氧键非常稳定，不易被紫外线破坏。可能会出现一些表面暗淡或粉化，但不会影响物理性能。
- 化学惰性：硅橡胶不受大多数化学品和溶剂（包括酸、碱、油和油脂）的影响。只有强碱或丙酮等极性溶剂在长期接触后才会引起膨胀或损坏。非极性硅氧键和稳定的聚合物结构提供了出色的耐化学性。
- 低电导率：硅橡胶是一种有效的电绝缘体，不易导热或导电。由于硅氧原子键中缺乏自由电子，因此具有较高的电阻率。
- 生物相容性：某些硅胶具有生物惰性，可与医疗器械和医疗保健应用兼容。符合 USP VI 级和 ISO 10993 标准的铂固化硅胶通常用于与身体接触的导管、管材和绷带等产品。
缺点：
- 抗油、抗撕裂性能较差：一般而言，硅胶不能长时间耐油，长期接触油或石油后会膨胀。此外，硅胶既不耐磨也不抗撕裂，在高温下会变得更硬。
- 附着力差：由于硅橡胶表面能低且无极性，因此无法很好地粘附或粘合大多数表面。需要使用特殊的底漆和表面处理才能实现足够的粘合或涂层附着力。
- 难以加工：与有机橡胶相比，硅橡胶的制造难度更大。它通常需要专门的高温设备和模具，以及技术专长来处理。硅橡胶的回收也存在问题。这些因素导致其总体成本较高。
硅橡胶的应用
硅橡胶是一种用途极为广泛的材料，由于其能够在极端环境下工作且几乎不发生损坏，因此可在不同行业中发挥许多关键作用。硅橡胶的一些主要应用包括：
- 电气绝缘：硅橡胶是一种出色的绝缘体，广泛用于电线和电缆绝缘、连接器密封和开关保护套。耐高温和耐候性使其能够在极端条件下绝缘电子设备，而其他材料则可能熔化或降解。硅绝缘材料保持柔韧性、防水性，并且耐电弧和开裂，可保护敏感元件。
- 汽车零部件：硅胶软管、垫圈、密封件和其他部件在引擎盖下和整个车辆中很常见。作为散热器、加热器和真空软管，硅橡胶可延长车辆的使用寿命，并能抵抗发动机热量、油和燃料，而这些会导致普通橡胶失效。硅胶密封件和垫圈还可在恶劣的汽车环境中为流体和空气系统提供可靠的长期密封。
- 家电零件：烤箱、炉灶、微波炉、冰箱、洗碗机和其他电器均使用硅胶门和盖子密封件、管道、泵、阀门和电线。硅胶非常适合承受电器的工作温度。它可承受多次打开和关闭，并可承受多次暴露于水、化学品和油脂，而性能几乎不会发生变化。
- 航天与航空：硅橡胶和涂层是航天和航空零部件必不可少的材料，极端温度、辐射和化学暴露是航天和航空的日常需求。它们无与伦比的高性能使它们成为这些苛刻应用的理想选择。
- 医疗设备：硅橡胶具有化学惰性、生物相容性和可灭菌性。它非常适合用于导管、导管、伤口护理产品、矫形垫和其他接触甚至进入人体的医疗保健应用。它的柔韧性、透明度和润滑性也提供了舒适性和可视性优势。植入的硅胶部件可以保持完好 40 多年，不会刺激或被人体组织排斥。
- 粘合剂和密封剂：硅胶粘合剂、密封剂和填缝剂可为瓷砖、玻璃、混凝土和塑料应用提供防水、耐候和柔韧的粘合效果。即使将其涂在其他密封剂失效的潮湿或油腻表面上，它们也能很好地粘附。硅胶可以适应显著的接缝运动，而不会失去粘合力或开裂，从而提供持久的防水保护。它在浴室、厨房、室外和游泳池/水疗中心很受欢迎。
- 涂料：有机硅涂层可提供耐高温、耐化学品和耐候的耐用、不粘、保护性涂层。有机硅涂层可代替传统油漆或粉末涂层，防止模具、烤箱、织物、陶瓷和复合材料等表面发生粘连、腐蚀和磨损。有些可增加摩擦或耐磨性，有些可改善脱模性或疏水性。提供室温和高温固化系统。
- 脱模剂：有机硅脱模剂可防止其他材料在高温加工过程中粘附到模具上。它们以喷雾、糊状或涂层的形式使用，可形成易于脱模的表面，因此部件可以快速脱模而不会损坏。与粉末或蜡基脱模剂不同，有机硅一次使用即可提供多次脱模，不会转移或污染部件。它可用于生产塑料、复合材料、橡胶和金属部件。
- 润滑剂：硅油和硅脂在高温或腐蚀性化学物质存在下用作润滑剂。它们可以承受会破坏大多数有机润滑剂的环境。
- 消费产品：硅橡胶用于不粘烤盘、食品容器、餐具、玩具、珠宝和硅胶手镯等消费品。此外，它还可以作为洗衣皂、化妆品、洗发水和除臭剂的成分。
常见问题解答
硅和硅胶有什么区别？
硅胶有时会被误认为是硅。然而，这两者并不相同。硅是一种化学元素。硅胶是一种由硅、碳、氢、氧和其他原子组成的化合物。
硅胶是塑料吗？
不，硅胶不是塑料。塑料和硅胶都是耐用且可塑性强的材料，外观和触感相似。虽然两者非常相似，但它们的化学和分子组成不同。
塑料含有由碳和氢构成的分子骨架。硅树脂是一类广泛的聚合物，由硅氧烷键（化学式-Si-O-Si-）和多种有机化合物组成。
硅橡胶可以回收吗？
硅橡胶的回收可能性有限。纯硅橡胶不易回收。未受污染的硅橡胶可以研磨并偶尔重复使用。另一种方法是重复使用硅橡胶产品，而不是回收它们。这样可以减少浪费，节约资源。
概括
硅橡胶是一种高性能弹性体，具有耐高温性能、耐久性、电绝缘性、透明性等不常见的性能组合。由于这些特性，硅橡胶已成为各个行业的高性能材料。
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