基于超临界CO2发泡硅橡胶泡沫的制备及性能研究

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超临界CO2发泡的硅橡胶泡沫不仅具有泡孔形态均匀,还兼备了孔径可以达到微纳米级,使硅橡胶泡沫材料拥有更优异的性能。然而,CO2在超临界状态下具有液体的溶解性,常常被用作萃取剂提取和分离某些物质,且温度和压力微小的变化都会导致溶解能力极大地改变。所以,利用超临界CO2发泡聚合物的过程极有可能导致基体中的某些组份含量减少,从而影响泡沫材料的性能,使泡沫材料使用受限。因此,本文系统的研究了超临界CO2对硅橡胶硫化动力学、泡孔结构及性能的影响。利用非等温DSC的方法研究了过氧化二异丙苯(DCP)用量以及超临界CO2饱和条件对甲基乙烯基硅橡胶(MVQ)硫化动力学的影响,并通过Kissinger法计算了反应活化能(Ea)。同时,采用两个反应级数的(?)esták-Berggren自催化模型和Málek法来确定了反应体系的硫化动力学方程。结果表明:通过对比DCP用量以及超临界CO2各饱和条件下的硫化反应放热、Ea和硫化程度(α)的变化,得出在超临界CO2饱和过程中基体中的部分DCP被CO2萃取并与其分离,从而对硫化反应造成影响。(1)DCP用量减少,硫化反应放热量和Ea减少;(2)增加超临界CO2饱和时间、饱和压力以及饱和温度均会令体系硫化反应放热减少,且当饱和时间为12 h体系的Ea减小了22.5 k J·mol-1,饱和温度为70℃,压力为20 MPa时Ea分别减少了28.9 k J·mol-1和30.1 k J·mol-1。(3)DCP用量以及超临界CO2饱和时间对硫化程度变化的影响相对较小,而高温高压条件下会促进体系内物理交联网络的形成,因此饱和温度和压力的提高减缓了硫化反应的进行。将理论计算值与实验所得数据进行拟合可以发现两者较为吻合。选取了甲基乙烯基苯基硅橡胶(PVMQ)为基体材料,并以白炭黑H2000为增强填料,研究了超临界CO2饱和压力对硫化反应的活化能及硫化行为的影响,由此提出了一种新的超临界CO2发泡硅橡胶泡沫的后硫化方式即:(1)165℃压缩成型技术,(2)烘箱内190℃后硫化(后文将其简称为模压--高温后硫化)。并通过调节超临界CO2的发泡参数,制备出泡孔形态结构和性能各异的白炭黑/PVMQ泡沫材料。研究结果表明:采用模压--高温后硫化能够促进硫化并有效地提高泡沫材料的力学性能。泡沫材料的压缩强度可提高133.33%,而拉伸强度则最大可提高34.68%。研究还发现,白炭黑/PVMQ泡沫的最小孔径可达2.11μm,对应的泡孔密度为1.38×1010cells/cm~3。该泡沫材料的最大拉伸强度为3.88 MPa;应变为30%时,其压缩强度可提高至0.40 MPa;表观密度为0.540 g·cm-3时,白炭黑/PVMQ泡沫的T5%和Tmax可分别提高29.1℃和18.6℃在以上研究的基础上,向基体中添加HNTs纳米填料并利用超临界CO2制备出了性能更优异的HNTs/白炭黑/PVMQ泡沫材料。研究了其泡孔结构、HNTs用量与性能之间的关系。研究结果表明:泡孔的引入可有效地提高PVMQ基体的阻尼性能,且小孔径、高密度的泡孔结构更有利于该性能的改善。另外,HNTs纳米填料在进一步提高材料的阻尼性能的同时,也增强了其力学性能和热稳定性。当HNTs含量为3 wt%时,HNTs/白炭黑/PVMQ泡沫材料的tanδ值为0.7,与未添加HNTs相比提高了25%,有效阻尼温域也提高了50.27℃。HNTs/白炭黑/PVMQ泡沫材料的拉伸强度、断裂伸长率、压缩强度分别提高了29%、42.9%、195%,且T5%也提高了21.22℃,可达到472℃左右。
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