脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶的制备及力学性能研究

2021-04-27李俊青

粘接 2021年8期

李俊青

摘要：目的：为了有效提高传统密封胶的拉伸强度、抗弯曲性能和材料硬度，研究脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶的制备及其力学性能。方法：以乳酸乙酯为交联剂，利用制备的原料、试剂和仪器，通过计算物料、合成乳酸乙酯、制备有机硅密封胶预聚体等步骤，制备脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶试件。在制备的密封胶试件上施加不同方向、不同大小的应力，从拉伸、抗弯曲和硬度3个方面分析制备密封胶的力学性能。结果：与传统密封胶相比，脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶的硬度较大，拉伸强度和断裂伸长率分别提高了0.777MPa和331.9%，弯曲量降低至368mm。结论：脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶的拉伸强度增大，断裂伸长率提高，弯曲量降低，能够有效提高拉伸强度、抗弯曲性能以及材料硬度。

关键词：乳酸乙酯;有机硅;密封胶;拉伸强度;力学性能

中图分类号：TQ430 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）08-0007-06

Study on the Preparation and Mechanical Properties of New Type Organic Silicone Sealant from Ethyl Lactate

Li Junqing

（Tianjin Haoan Safety and Hygiene of Evaluation and Monitoring Co.， Ltd.， Tianjin 300202， China）

Abstract：Objective： In order to effectively improve the tensile strength， bending resistance and material hardness of the traditional sealant， the preparation and mechanical properties of a new type of silicone sealant from ethyl lactate were studied. Methods： Using ethyl lactate as cross-linking agent， using raw materials， reagents and instruments， through calculating materials， synthesizing ethyl lactate， preparing silicone sealant prepolymer and other steps， a new type of silicone sealant was prepared. Stresses of different directions and different magnitudes were applied to the prepared sealant specimens， and the mechanical properties of the prepared sealant were analyzed from three aspects： tensile strength， bending resistance and hardness. Results： Compared with the traditional sealant， the hardness of the new silicone sealant from ethyl lactate was higher， the tensile strength and elongation at break were increased by 0.777MPa and 331.9%， respectively， and the bending amount was reduced to 368mm. Conclusion： The tensile strength of the new silicone sealant from ethyl lactate is increased， the elongation at break is increased， and the bending amount is reduced， which can effectively improve the tensile strength， bending resistance and material hardness.

Key words：ethyl lactate; organic silicon; sealant; tensile strength; mechanical properties;

0 引言

密封膠属于一种用于填补缝隙的材料，在建筑、电子、航空、汽车工业、医疗等多个领域中广泛应用，并取得了良好的应用效果。在诸多类型中，有机硅密封胶由于具有隔音、保温、减振等功能，在耐热与耐寒等方面具有明显优势。因此，其应用范围更广，应用效果更优[1]。按照产品形态和结构可以将有机硅分为单组分和双组分两种类型，利用空气中的水分因子硫化形成弹性硅橡胶。

目前高层建筑行业发展迅速，对密封胶的需求量和质量要求也逐渐增加，为了适应大跨度建筑可能存在的位移变形，需要制备出力学性能更高的有机硅密封胶[2]。因此，文章提出一种脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶，与传统密封胶不同的是，这种密封胶以乳酸乙酯作为交联剂，在实际的制备过程中，释放出小分子形式的乳酸乙酯，通过这种方式制备出的密封胶的腐蚀性和挥发性更低。乳酸乙酯为无色液体，略带气味，可与醇、酯和烃类等有机溶剂融合。通过乳酸乙酯交联剂以及相关制备工艺的应用，实现脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶的制备，并分析其力学特性，从而验证新型有机硅密封胶的力学性能，为该材料的应用提供大量的数据支持。

1 实验部分

1.1 制备原材料

从有机硅密封胶的基础聚合物、填料、交联剂等多个部分准备原材料及相关试剂。一般情况下，选取α，ω- 二羟基聚二甲基硅氧烷作为基础聚合物，其化学结构为HO（MeRSiO）nH。在此次制备工作中使用乳酸乙酯作为交联剂。填料添加的目的是补强和降低成本，按照有机硅密封胶的应用需求选择合适的填料材料[3]。催化剂的作用是加快有机硅密封胶的制备速度，常用的催化剂包括有机锡化合物和钛化合物两种类型[4]。除了上述基本组成材料外，为了提高有机硅密封胶的力学性能，还需要添加增塑剂、链增长剂和耐热剂等一系列添加剂。通过对上述组分的分析，选择合适的有机硅密封胶制备原料和试剂如表1所示。

1.2 制备仪器

结合脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶制备原材料，选择部分制备仪器如表2所示。

1.3 制备工艺

利用制备的原材料和仪器，分别通过物料计算、组分合成、预聚体制备以及试样裁剪等多个方面，实现脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶的制备。将预聚体中异氰酸酯与活性氢化合物进行化学反应来制备密封胶[5]。异氰酸酯基团的电荷分布如式（1）所示。

通过活性氰化物和异氰酸酯的反应产生活性氰化物[6]。具体的反应机理如下：

式中，δ表示的是反应原料对应离子携带的电子数量。

1.3.1 计算有机硅密封胶制备物料

以α，ω-二羟基聚二甲基硅氧烷作为原料，计算密封胶制备中各个反应物的用量，各个物料用量的计算公式如下：

上式中的计算结果A、C和X分别为形成聚醚多元醇所使用原材料的质量、预聚物中NCO的质量分数和原料实际添加量。参量WOH和HOH分别对应的是使用聚醚多元醇的质量和分子量，m和m1代表的是功能性硅烷偶联剂的用量和端NCO基预聚体的质量，另外M表示的是功能性硅烷偶联剂的分子量[7]。按照有机硅密封胶的实际需求量，结合公式（3）的计算结果，利用电子天平设备进行物料的称量，备用。

1.3.2 合成乳酸乙酯

由于脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶使用了乳酸乙酯作为交联剂，因此需要在开始密封胶制备之前合成乳酸乙酯。一般来讲乳酸乙酯是由乳酸和乙醇在硫酸存在下酯化得出，具体的反应原理如图1所示。

将乳酸和乙醇等相关原材料倒入三口烧瓶中，并将三口烧瓶放置在恒温水壶中，实现化学反应环境的稳定加热。在三口烧瓶加热过程中，启动电动搅拌器将原料搅拌均匀，以此来保证化学反应的充分程度。到达反应温度后，三口烧瓶内化学反应已完成，取出反应物，并将反应物快速降温，测定乳酸浓度。当三颈瓶为反应容器时，加入适量再生氯碱离子膜，将初始时间设定为原料加入的时间。每间隔15min从反应环境中抽取一定量的样品，按照相同的方式进行冷却后，加入调配好的氢氧化钠标准溶液，重新测定乳酸的浓度。通过对氢氧化钠消耗量的计算，判断化学反应是否达到平衡，反应进行的程度以乳酸转化率来衡量[8]。乳酸乙酯合成时，温度和催化剂是两个最关键的反应条件，反应程度和温度之间的关系如下：

式中，R和T分别为气态常数和化学反应温度，Ea和k0表示的是激活能和玻尔兹曼常数，另外CHL、CEtOH、CEL和CW分别表示的是乳酸、无水乙醇、乳酸乙酯和水的浓度。同理也可以确定催化剂在乳酸乙酯合成过程中的作用效果，通过对环境温度以及催化剂添加量的控制，实现对乳酸乙酯合成速度和程度的控制。

1.3.3 制备有机硅密封胶预聚体

使用捏合机设备，在室温环境下，计算融合比例实现α，ω-二羟基聚二甲基硅氧烷与 nano-CaCO3粉料的融合[9-10]。完成融合操作后，提高反应环境的温度至140℃，在真空环境下持续搅拌4h，其目的是脫除密封胶预聚体中多余的水分。完成脱水处理后，将反应环境降低至室温，利用三辊研磨机设备研磨均匀，出料获取基胶。采用多功能电子天平设备，根据物料的计算结果称量一定质量的初始原料，并将其装入到三口烧瓶中。将温度计和搅拌桨以外部插入的方式放置在三口烧瓶外部，需要注意的是两个部件的安装位置，在搅拌桨的工作过程中保证不会触碰到温度计，从而影响环境中温度因素的控制精度。利用控温电热套将三口烧瓶加热到100℃，并使用真空泵将三口烧瓶内部调整到真空状态。在100～120℃的温度环境下，进行脱水处理，脱水时间保证在90min以上。完成脱水处理后，放置三口烧瓶，将其调整到室温。加入二异氰酸酯，重新加热反应环境，对预聚体中NCO含量进行检测[11]。如果理论值为检测结果，则冷却出料，完成有机硅密封胶预聚体的合成。使用相同的方式，可将其他预聚体进行制备与合成，其流程如图2所示。

1.3.4 制备有机硅密封胶试样

将制备完成的所有预聚体与合成的乳酸乙酯进行充分混合，通过脱水与降温处理后得出的最终结果即为脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶的制备结果。存放密封胶制备结果的容器即使在处理完成后也无法保证绝对精度在0%，且空气中的水蒸气成分也会对制备的密封胶试样物理性质产生影响[12]。因此制备的密封胶试样不能在空气中放置过长时间，在必要情况下应充入氮气密封。取一定质量的制备样品放入模具内，刮平后，硫化24h，最终得出脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶试样。

2 结果与讨论

以制备完成的脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶试件作为研究对象，分别从拉伸、压缩、弯曲等方面分析其力学性能。为了体现出制备密封胶的力学性能优势，还设置传统的有机硅密封胶作为实验的对比项，在相同的环境下得出力学性能的量化测试结果。

2.1 脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶表征分析

在开始力学性能分析之前，首先需要分析试样表征，其目的是保证选择研究试样的质量，确保力学性能分析结果的有效性。若将制备操作失误得出的试样作为研究对象，得出的结果无法反映真实的有机硅密封胶特征。通过对脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶中包含组分的分析，得出理论结构与粒子分布。利用显微镜和红外光设备观察试样结构，并与理论数据进行比对，剔除初始试样中与理论数据差异较大的试样。质量合格的有机硅密封胶的红外光谱如图3所示。

2.2 设置密封胶力学性能测试指标

根据力学性能的定义以及密封胶的实际应用场景，分布从拉伸、抗弯曲和硬度等方面进行具体分析。其中拉伸强度反映了密封胶能够抵抗外力拉伸的极限破坏能力，拉伸强度指标的量化公式如下：

式中，参数Fb为密封胶试样断裂时刻承受的总应力，a和b分别表示密封胶试样的宽度和厚度。另外，设置断裂伸长率作为力学性能测试中的量化指标，该指标反映的是试样在外力作用下发生断裂所能承受的极限伸长比率，是密封胶抗位移变形能力的重要指标之一，其计算公式如下：

式中，L0和Lb分别为试样的初始标距和断裂时的距离，断裂伸长率越高证明密封胶的力学性能越优。弯曲量可以通过计算弯曲应力施加前后密封胶在同一方向上的形变量得出，弯曲量越大证明试样的压缩能力越差，反之，抗弯曲能力越强。密封胶的硬度主要通过统计单位试件中的粒径分布得出，粒径越小证明粒子数量越多，即硬度越大。

2.3 描述力学性能测试过程

选择聚氨酯密封胶和硅酮密封胶作为两个对比密封胶，从而体现出制备的新型有机硅密封胶的力学性能优势。将3种不同类型的密封胶制作成相同规格的试样，试样尺寸结构如图4所示。

利用应力施加设备在各个试样的相同位置上施加应力，为了保证应力的施加量相同，采用智能化设备，可以通过输入应力值的方式实现精准控制。

2.4 力学性能测试结果分析

在不同施加方式和应力大小的作用下，统计相关数据，并最终得出量化的力学性能测试结果。

2.4.1 拉伸性能测试结果

为了保证实验结果的可信度，在实际测试中准备了多个试件，通过所有测试试件相关数据的记录，得出量化测试结果，如表3所示。

通过对表3中数据的分析，聚氨酯密封胶、硅酮密封胶和脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶试件的平均拉伸强度分别为1.896MPa、2.339MPa和2.673MPa，另外，断裂伸长率的平均测试结果分别为563.9%、749.0%和895.8%。由此可知，文章制备的密封胶拉伸强度最大，断裂伸长率最高，能够有效提高其拉伸力学性能。

2.4.2 抗弯曲性能测试结果

不同施加应力作用下3种密封胶试件弯曲量的变化情况，如图5所示。

从图5的曲线变化情况可以看出，随着施加应力的增加，不同密封胶的弯曲量随之增大。当施加应力为60N时，聚氨酯密封胶、硅酮密封胶和脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶的弯曲量分别为440mm、458mm和368mm。通过与两个对比密封胶的对比可知，脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶的弯曲量较小，由此证明新型有机硅密封胶的抗弯曲性能更佳。

2.4.3 硬度测试结果

在相同倍数显微镜下，得出3种密封胶的粒径分布如图6所示。

从图6中可以看出，相比于聚氨酯密封胶和硅酮密封胶，脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶的粒径更小，单位大小试件中的粒子数量越多，即密封胶的硬度越大。

3 结论

文章研究脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶的制备及力学性能，综合拉伸性能、抗弯曲性能以及硬度的力学性能分析结果如下：

（1）脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶的平均拉伸强度为2.673MPa，平均断裂伸长率为895.8%，其拉伸强度和断裂伸长率较高，证明脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶的力学性能越好。

（2）当施加应力为60N时，脱乳酸乙酯新型有机硅密封胶3种密封胶的弯曲量为368mm，其弯曲量较小，压缩能力较好，抗弯曲能力较强。

（3）脱乳酸乙酯新型有机硅密封膠的粒径较小，其粒子数量较多，材料硬度较大。

参考文献

[1] 刘桂恒，李吉明，余晓桃，等.单组分耐高温脱丙酮型有机硅密封胶的研制[J].粘接，2020，41（01）：7-10.

[2]罗元章，付子恩，戴飞亮，等.硅烷偶联剂对脱醇型有机硅密封胶性能的影响[J].有机硅材料，2020，34（06）：25-28.

[3]许艳艳，张燕青，董鹏飞，等.硅改性聚醚密封胶和硅酮密封胶的耐高温性能研究[J].粘接，2019，40（03）：29-32.