有机硅密封剂高温力学性能研究

冯志力 周文胜 孙全吉 张鹏 王恒芝 范召东

摘要：在温度25～250 ℃对3类硫化体系的5种有机硅密封剂的拉伸强度、180? 剥离强度和剪切强度的研究表明：随着温度的升高，5种有机硅密封剂的拉伸强度、180? 剥离强度和剪切强度均不断下降，其中拉伸强度和剪切强度降低的速率递减。有机硅密封剂的高温性能变化与硫化体系类型密切相关，脱氢硫化体系HM321密封剂在25～150 ℃拉伸强度、剪切强度和180?剥离强度均最高，但在25～250 ℃拉伸强度、剪切强度和180? 剥离强度保持率均最低。脱氨硫化体系XY-602S有机硅胶粘剂在232～250 ℃的拉伸强度和剪切强度最高，25～250 ℃的拉伸强度保持率也最高。

关键词：有机硅密封剂；力学性能；硫化体系

中图分类号：TQ436+.6 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2014）01-0067-04

有机硅密封剂具有一系列优异性能，在航空、航天、电子电器和通讯等高新技术领域得到广泛应用[1]。为了满足我国航空武器装备的发展需要，北京航空材料研究院相继研制成功系列性能优良的耐热型有机硅密封剂，如本文中的3类硫化体系的5种有机硅密封剂。其中HM301和HM321为脱氢硫化体系，HM307为脱醇硫化体系，HM306和XY-602S为脱氨硫化体系[2，3]。一般情况下，有机硅密封剂的拉伸与密封粘接性能均是在初始状态或耐热老化后在室温下测试的数据，反映的是密封剂耐热前后的性能变化。但有机硅密封剂的使用环境温度往往较高，室温下测试的力学性能难以反映有机硅密封剂的实际使用状态。而目前国外对硅橡胶高温下的力学性能主要是进行相关的理论研究推测[4～8]。因此，研究有机硅密封剂在实际使用环境下的拉伸与密封粘接性能对其选材具有重要意义

本文研究了在25～250 ℃ 3类硫化体系的5种有机硅密封剂的拉伸强度、180? 剥离强度和剪切强度及性能的保持率，对高温下的力学性能变化进行了分析，期望对高温使用环境下有机硅密封剂的选材提供指导意义。

1 实验部分

1.1 原料及仪器

HM301有机硅密封剂、HM307有机硅密封剂、HM306有机硅密封剂、XY-602S有机硅胶粘剂、HM321有机硅密封剂、NJD-6底胶、NJD-9底胶和NJD-11底胶，均为北京航空材料研究院自制。

三辊研磨机，SG150，秦皇岛抚宁机械化工厂；平板压机，自制；高温试验箱，WG4501，重庆银河试验仪器有限公司；配有高温试验箱的电子拉力试验机，INSTRON 3366，美国英斯特朗公司。

1.2 试片的制备

将有机硅密封剂基膏与硫化剂、催化剂按配比在搪瓷盘中简单混合后，在三辊研磨机上混合均匀，在平板压机上硫化制成标准试片，硫化条件：常温×7 d。

180? 剥离强度和剪切强度测试采用钛合金试片，以HM301有机硅密封剂的180? 剥离强度试片为例的底胶施工工艺如下：将钛合金试片清洗干净并干燥后，先涂一薄层NJD-9，晾干15～20 min后再涂NJD-11，晾干15～20 min后涂密封剂，上面盖同样用NJD-9和NJD-11底胶处理过的粗网眼镀锌钢网，再涂一层密封剂。HM307密封剂与NJD-11底胶配合，HM321密封剂与NJD-6底胶配合，而HM306密封剂和XY-602S胶粘剂不使用底胶。

1.3 测试方法

按HB 5246制备标准试片；按GB/T 528—1998 测试拉伸强度；按HB 5249—1993测试180? 剥离强度；按GB/T 7124—2008测试剪切强度。高温下性能测试程序：高温试验箱在设定温度稳定后，将试样置入高温试验箱中，待温度重新稳定后保温5 min，在设定温度下进行性能测试。

2 结果与讨论

2.1 不同温度下的拉伸性能

5种有机硅密封剂在不同温度下的拉伸强度见表1。

从表1可以看出，随着测试温度的升高，有机硅密封剂的拉伸强度均不断降低。原因是室温硫化硅橡胶的高分子结构呈螺旋状，分子间的作用力弱，硫化是通过端基与交联剂反应进行，硫化胶强度低。通过补强填料表面的羟基与硅橡胶高分子链的氢键等作用进行补强，强度可提高10倍以上。随着温度升高，有机硅密封剂的高分子链段运动加快，螺旋状结构得到一定的舒展，与填料之间的氢键作用距离增大，作用力减弱，导致拉伸强度不断降低[9]。当温度低于150 ℃时，HM321有机硅密封剂的拉伸强度最高，当温度高于200 ℃后，XY-602S有机硅胶粘剂的拉伸强度最高。

5种有机硅密封剂在不同温度下的拉伸强度保持率见图1。

从图1可以看出，随着测试温度的升高，有机硅密封剂的拉伸强度降低的速率不断下降。原因可能是当高分子链段的热运动达到一定程度后，分子已经处于比较舒展的状态，继续升高温度对填料与分子链的氢键作用力影响程度减弱 [9]。当温度达到150 ℃后，脱氨硫化体系的HM306有机硅密封剂和XY-602S有机硅胶粘剂的拉伸强度保持率较高。一般认为硅橡胶的拉伸强度主要来自3个方面贡献：一是高分子之间以及高分子与白炭黑共价交联，二是高分子之间以及高分子与白炭黑的缠绕，三是白炭黑与白炭黑和高分子之间的氢键和范德华力。随着温度升高，高分子与填料之间的氢键作用距离增大，后2者贡献的拉伸强度下降迅速，而高分子交联的贡献下降缓慢，当温度升高到一定程度后，在拉伸强度中起主导作用。一般情况下，有机硅密封剂的交联密度与拉伸强度成正相关[10]。不同硫化体系密封剂的交联密度不同，脱氨硫化体系的交联密度较高，而脱氢硫化体系的交联密度往往较低，脱醇硫化体系处于2者之间。

2.2 不同温度下的180? 剥离强度

5种有机硅密封剂在不同温度下的180? 剥离强度，所有试样均为内聚破坏，见表2。

从表2可以看出，随着测试温度的升高，有机硅密封剂的180? 剥离强度呈不断下降趋势，同拉伸强度变化规律基本一致。不同温度下HM321有机硅密封剂的180? 剥离强度均最高。180?剥离强度反映有机硅密封剂的密封性能，其值越高密封性能越好。180?剥离强度不但与拉伸强度有关，也与密封剂的断裂伸长率有关。5种有机硅密封剂的180?剥离强度综合反映了各自的拉伸性能。

5种有机硅密封剂在不同温度下的180?剥离强度保持率变化趋势和图1类似。当温度低于150 ℃时，有机硅密封剂的180?剥离强度保持率均不断下降，而当测试温度高于150 ℃后，HM307和HM321的180?剥离强度保持基本不变。当温度低于150 ℃时，HM301的180?剥离强度保持率最高，而温度高于100 ℃后，HM306的保持率最高。

2.3 不同温度下的剪切强度性能

5种有机硅密封剂在不同温度下的剪切强度见表3，所有试样均为内聚破坏。

由表3可见，随着测试温度的升高，有机硅密封剂的剪切强度呈不断下降趋势，同拉伸强度变化规律基本一致。剪切强度反映有机硅密封剂与基材的粘接性能，当温度低于200 ℃时，HM321有机硅密封剂的剪切强度最高，当温度高于232 ℃后，XY-602S有机硅胶粘剂的剪切强度最高。

5种有机硅密封剂在不同温度下的剪切强度保持率的变化规律也和图1类似。随着测试温度的升高，有机硅密封剂的剪切强度降低的速率不断下降，同拉伸强度变化规律基本一致。在不同温度下，HM321的剪切强度保持率最低，HM307的剪切强度保持率最高，总的来说，脱醇硫化体系的剪切强度保持率最高，脱氢硫化体系的剪切强度保持率最低，脱氨硫化体系的介于2者之间。

3 结论

1）随着温度的升高，5种有机硅密封剂的拉伸强度、180? 剥离强度和剪切强度均不断下降，其中拉伸强度和剪切强度降低速率不断变慢。

2）当温度低于150 ℃时，HM321有机硅密封剂的拉伸强度最高，当温度高于200 ℃后，XY-602S的拉伸强度最高。XY-602S的拉伸强度保持率最高，HM321的拉伸强度保持率最低。

3）不同温度下HM321的180? 剥离强度均最高，但保持率最低。

4）当温度低于200 ℃时，HM321的剪切强度最高，当温度高于232 ℃后，XY-602S的剪切强度最高。HM307的剪切强度保持率最高，HM321的剪切强度保持率最低。

参考文献

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