甲基MQ硅树脂补强的缩合型透明硅橡胶制备与性能研究

2020-12-16黄文哲刘光华陈永隆陈建军黄恒超

广州化工 2020年23期

黄文哲，刘光华，黄琪，陈永隆，陈建军，黄恒超

(广州市白云化工实业有限公司，广东广州 510540)

随着人类物质文明的进步及面临的日益严峻的能源形势，环保、高效、低能耗照明光源的开发一直是人类追求的目标。基于半导体照明的功率型发光二极管LED(Light Emitting Diode)是一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯和高强度放电(HID)灯(如高压钠灯和金卤灯)之后的第四代新光源，具有体积小、能耗低、环保、寿命长、色彩丰富等多项优点，应用前景非常广阔[1-3]。

我国的LED照明产业起步晚，但是发展迅猛，国内LED照明产业整体规模2015年为4245亿元人民币，同比增长21%；2016年达5216亿元人民币，同比增长22.8%；2017年达6538亿元人民币，同比增长25.3%；根据智研咨询调研数据，2018年达7374亿元人民币，同比增长12.79%；2019年达7548亿元人民币，同比增长2.4%，2006年以来我国LED产业产值规模年复合增长率达到24.38%。目前中国生产的LED产品已经占全球50%以上的市场份额，另根据国家发改委2017年发布的《半导体照明产业“十三五”发展规划》，到2020年我国半导体照明全产业链产值将达10000亿元。我国目前已经建立了上海、大连、厦门、南昌、深圳、扬州和石家庄7个国家半导体照明工程产业化基地，天津、杭州、武汉、东莞和西安5个国家半导体照明工程高新技术产业化基地，以及宁波国家新能源与节能照明高技术产业化基地，半导体在我国已经拥有良好的产业基础，LED照明行业的市场前景非常广阔[4-7]。

LED通用照明是系统工程，其照明产品主要由光源(芯片+封装)、光源集成(或模组)、驱动、灯具总成(配光+散热+总装结构+外壳)四大部分组成[8]。在灯具特别是LED灯条的总成部分，为了达到防水、防潮、防尘、绝缘、透光、减震等目的，往往需要一种粘接性好、耐老化、高透光、不黄变、力学性能好的密封材料来对发光芯片和PCB线路板外部进行粘接固定与密封。

缩合型室温硫化(RTV)硅橡胶因其具有良好的耐热性、耐寒性、耐候性、耐化学品、耐辐照、电绝缘性和疏水性等综合性能而受到关注[9]，特别是透光率能达到90%以上，综合力学性能优异的缩合型室温硫化硅橡胶，是一款非常适合LED灯具总成灌封的密封材料。

本文以甲基MQ硅树脂，α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷(107硅橡胶)为基础聚合物，配以二甲基硅油(201硅油)，交联剂、偶联剂、催化剂等制得了LED灯具总成灌封用缩合型透明室温硫化硅橡胶，并研究了硅树脂MQ值、添加量以及不同偶联剂对硅橡胶固化速度和力学性能的影响。

1 实验

1.1 材料和仪器

α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷(107硅橡胶)，宜昌科林硅材料有限公司；二甲基硅油(201硅油)，宜昌科林硅材料有限公司；甲基MQ硅树脂，山东大易化工有限公司；甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、正硅酸乙酯部分水解缩聚物(硅-40，以二氧化硅记含量为40%-42%)、甲基三乙氧基硅烷，荆州江汉精细化工有限公司；γ-氨丙基三乙氧基硅烷，荆州江汉精细化工有限公司；二月桂酸二丁基锡，吉林市华信化工有限责任公司；甲苯，广州光华科技股份有限公司。

DAC600.2离心高速分散机，德国FLACKTEK公司；XL-250A万能拉力试验机，广州实验仪器厂；LX-A邵尔A硬度计，上海市六菱仪器厂。

1.2 缩合型透明硅橡胶的制备

甲基MQ硅树脂粉的溶解：将100份硅树脂粉与100份的甲苯放入三颈烧瓶中，80 ℃下搅拌回流1小时至硅树脂粉完全溶解，加入100份350 mPa·s 201硅油，加热至120 ℃抽真空至0.01 MPa搅拌除甲苯5小时即得甲基MQ硅树脂含量50%的二甲基硅油溶液。

取20000 mPa·s的107胶40份，1500 mPa·s的107胶20份，甲基MQ硅树脂的二甲基硅油溶液0～40份，交联剂12份，γ-氨丙基三乙氧基硅烷3份，二月桂酸二丁基锡0.5份，用离心高速分散机混合分散均匀即得缩合型透明硅橡胶。

1.3 性能测试

将制得的缩合型透明硅橡胶按测试要求制成测试样品，硬度：采用硬度计按ASTM D 2240测试；表干时间：按GB/T 13477.5-2002测试；力学性能：采用万能拉力试验机按GB/T 528-2009测试；

2 结果与讨论

2.1 硅树脂的MQ值对透明硅橡胶性能的影响

MQ值是甲基MQ硅树脂中单官能度硅氧烷封闭链接(M)与四官能度硅氧烷链接(Q)的物质的量比值，MQ值是甲基MQ硅树脂的重要性能指标，该比值可以反映硅树脂的整体结构和分子量的大小。

由表1可见，相同条件下，样品1～5表干时间逐渐变长，这是由于高MQ值的甲基MQ硅树脂摩尔质量更小，粒径更小，比表面积更大，表面残留的羟基更多，参与固化反应需要更长的时间；养护一段时间后，样品1～5硬度和拉伸强度逐渐下降，表明MQ值更低的甲基MQ硅树脂补强效果更好；样品1～5拉断伸长率逐渐变大，这是由于低MQ值的硅树脂体系反应的速率更快，固化的更充分，交联密度更高所致；综上所述，MQ值低的甲基MQ硅树脂反应速率快，补强效果好。

表1 硅树脂的MQ值对透明硅橡胶性能的影响

2.2 硅树脂的添加量对透明硅橡胶性能的影响

由表2可见，相同条件下，随着甲基MQ硅树脂添加量的增大，表干时间逐渐延长，这是由于硅树脂表面含有较多羟基，反应速率相对较慢所致。对比样品6、7、1，养护后硬度、拉伸强度、拉断伸长率逐渐增大，说明硅树脂的补强效果明显；对比样品1、8、9，养护三天内，硬度和拉伸强度逐渐下降，拉断伸长率逐渐上升，这是由于硅树脂添加量过大，影响了透明硅橡胶的固化速率所致，养护十五天后，硬度和拉伸强度逐渐上升，这是由于硅树脂的添加量大，补强效果更好，拉断伸长率逐渐下降，这是由于硅树脂表面的羟基提供了更多的交联点，提高了交联密度所致。综上所述：硅树脂添加量过大会导致反应速率慢，伸长率小，过小会导致补强效果差。

表2 硅树脂的添加量对透明硅橡胶性能的影响

2.3 不同交联剂对透明硅橡胶性能的影响

由表3可见，不同交联剂反应速率和对力学性能的影响不同，样品10和样品11表干时间最短，反应速率快，养护后硬度和拉伸强度相对较大，拉断伸长率相对较小，表明甲基三甲氧基硅烷和乙烯基三甲氧基硅烷两种交联剂的透明硅橡胶体系韧性较差；样品12反应速度相对较慢，表干时间相对较长，养护后的拉伸强度、硬度和拉断伸长率适中，表明正硅酸乙酯作交联剂的透明硅橡胶体系性能相对一般；样品13表干时间长，反应速率慢，养护后硬度和拉伸强度都比较差，表明甲基三乙氧基硅烷反应速率太低，不适合作为本透明硅橡胶体系的交联剂；样品1表干时间较短，反应速率相对较快，养护后硬度和拉伸强度相对较好，拉断伸长率最好，表明正硅酸乙酯部分水解缩聚物(硅-40)作为该透明硅橡胶体系的交联剂综合性能优异。综上所述：相对上述其他四种硅烷，正硅酸乙酯部分水解缩聚物(硅-40)更适合用作本甲基MQ硅树脂补强缩合型透明硅橡胶的交联剂。