李雯霞，康 蓉，侯禮坤，戴 琰，蘇潤洪

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室溫硫化硅橡膠硫化工藝研究

李雯霞，康 蓉，侯禮坤，戴 琰，蘇潤洪

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

應用于一代紅外MCT探測器組件中的室溫硫化硅橡膠具有良好的耐高溫、耐低溫、抗震和密封特性。通過理論和實驗相結合，分析了影響室溫硫化硅橡膠硫化工藝的主要因素。實驗結果表明：室溫硫化硅橡膠的硫化效果與各組分的配比、環(huán)境溫度、濕度以及操作工藝有關。為了提高產(chǎn)品的合格率，改進了原有的硫化工藝，最終提高了產(chǎn)品的可靠性和安全性。

硫化硅橡膠；硫化工藝；膠料配比

0 引言

室溫硫化硅橡膠（簡稱RTV）是以分子量較小的聚硅氧烷為基礎膠，在交聯(lián)劑和催化劑的作用下，在室溫或稍許加熱下硫化為彈性體，它具有良好的耐高溫、耐低溫、耐老化和良好的抗震、耐沖擊以及密封特性[1-2]。硫化工藝是在一定的溫度、時間等作用下，使硅橡膠大分子發(fā)生化學反應產(chǎn)生交聯(lián)，使未經(jīng)硫化的膠料轉變?yōu)榱蚧z，從而賦予硅橡膠各種寶貴的物理功能[3-4]。應用于一代紅外MCT探測器組件外部總裝中，硫化硅橡膠的主要作用是：①對杜瓦的玻璃內管壁進行隔離保護，防止制冷機冷指插入杜瓦芯管時造成內管壁損壞，導致真空失效；②對制冷機與探測器配接面進行密封，提高了制冷效率。因此，硅橡膠硫化工藝的好壞將直接影響到產(chǎn)品工作的可靠性與安全性。

1硫化工藝

1.1 硫化工藝流程

硅橡膠硫化工藝過程主要是解決硅橡膠塑性和彈性性能這個矛盾的過程。通過各種工藝手段，加入不同的配合劑，硫化成為彈性高、物理機械性能好的橡膠制品。其工藝流程主要包括了灌封前期的準備工作，灌封過程中的膠料配置和混煉（加入各種配合劑）以及灌封后期的成型及外觀檢驗等（如圖1所示）。

1.2 硫化要素

影響硫化過程的主要因素[5]有：①膠料配比，根據(jù)加工及應用需要，通過改變配料（交聯(lián)劑、催化劑、稀釋劑）的用量和硫化條件，可以獲得不同性能的硫化硅橡膠；②硫化溫度、濕度；③操作工藝。

2 硫化硅橡膠常見缺陷

外觀檢驗[6]時，產(chǎn)品硫化部位膠料固化后，膠體應不粘手，硫化完全，膠體表面應清潔、光滑、平整無氣泡，無雜質；若膠體存在氣泡、漏膠、裂紋、撕裂、膠體與金屬粘接不良等缺陷時，在清理缺陷后要對膠體進行局部處理，缺陷嚴重需返工。

3 膠料各組分配比

3.1 實驗項目

改變交聯(lián)劑、催化劑、稀釋劑的不同配比，在規(guī)定時間（48h）內，觀察不同膠料配比的硅橡膠脫模后的硫化效果。

3.2 實驗原理

硫化過程分為4個階段：誘導期、預硫期、正硫化、過硫。在硫化誘導期內，交聯(lián)反應尚未開始，膠料有很好的流淌性，利于操作；預硫期膠體交聯(lián)程度仍然不高，硫化膠的彈性也未達到預想水平；正硫化階段，硫化膠的各項物理性能分別達到或接近最佳點，從而使性能達到綜合平衡；過硫階段，如果交聯(lián)仍占優(yōu)勢，硅橡膠就會發(fā)硬，拉伸強度繼續(xù)上升；反之，硅橡膠發(fā)軟，出現(xiàn)反原，拉伸強度下降。膠料各組分混合后，要求室溫下有一個適當?shù)牟僮鲿r間（30～40min最佳），通常用凝膠時間表示。凝膠時間過長，則硫化速度太慢，效率低下；凝膠時間過短，造成膠料過早硫化，而操作還未完成[7-8]。實驗通過改變交聯(lián)劑、催化劑、稀釋劑不同配比，找到一種最佳的混合比例。

3.3 實驗設備及材料

小燒杯、玻璃棒、電子天平、硅橡膠、計時器、盛膠容器、滴管。

3.4 實驗方法

1） 在編號為1#～5#的5個干燥清潔的容器內放入準確稱量的2g底膠，分別用滴管滴入交聯(lián)劑，用玻璃棒沿一個方向攪拌均勻；

2） 依次加入催化劑、稀釋劑，再次沿同一個方向攪拌均勻；

3） 室溫下觀察膠體的流動性、彈性、硫化時間；

4） 外觀檢驗：膠料硫化后應不粘手，無氣泡、漏膠、裂紋，表面清潔、光滑、平整；

5） 膠料各組分廠家推薦使用范圍：催化劑（2%～10%），交聯(lián)劑（2%～10%），稀釋劑（4%～10%）。

3.5 實驗數(shù)據(jù)

實驗一：確定催化劑配比（底膠：2g，交聯(lián)劑：4%，稀釋劑：8%），其實驗記錄見表1。

圖1 硫化工藝流程圖

表1 實驗一記錄

實驗原理：室溫硫化硅橡膠的硫化反應是通過催化劑來引發(fā)的，硫化反應發(fā)生于膠料與催化劑混合之后，催化劑加快了化學反應的速率，其用量決定了硅橡膠的硫化時間，用量越多則硫化越快，同時擱置時間也越短。

結果：如實驗記錄表1所示，當催化劑用量為5%時（3#樣本），硅橡膠硫化時間約為48h，硫化后膠面平整、光滑、彈性適中（如圖2所示）；催化劑用量過?。ǎ?%，1#、2#樣本），硫化時間過長（＞48h），效率低下；催化劑用量過大（＞5%，4#、5#樣本），膠體還未達到正硫化階段就已經(jīng)趨于固化，因此膠體粘手，強度低下。

實驗二：確定交聯(lián)劑配比（底膠：2g，催化劑：5%，稀釋劑：8%），其實驗記錄見表2。

實驗原理：交聯(lián)劑主要應用于橡膠或樹脂等高分子材料中，加入交聯(lián)劑使分子材料相互連在一起，形成網(wǎng)狀結構，通過調整交聯(lián)劑的用量可以改變硅橡膠的強度和彈性。

結果：如實驗記錄表2所示，當交聯(lián)劑用量為4%時（3#樣本），膠體固化后彈性適中，表面光緩、平整；交聯(lián)劑用量過少（＜4%，1#、2#樣本），膠體未達到最佳強度就開始硫化，因此膠體較軟；而交聯(lián)劑用量過大（＞4%，4#、5#樣本），膠體進入過硫階段后還在繼續(xù)進行交聯(lián)反應，因此膠體發(fā)硬。

實驗三：確定稀釋劑配比（底膠：2g，交聯(lián)劑：4%，催化劑：5%），其實驗記錄見表3。

實驗原理：稀釋劑用來降低膠粘劑的黏度，使膠粘劑有良好的浸透力。為了改善工藝性能和便于操作，添加適量的稀釋劑可以把膠料調節(jié)到所需的黏度。

結果：如實驗記錄表3所示，當稀釋劑用量為8%時（4#樣本），處于預硫階段的膠體流淌性較好，有利于真空排氣時氣泡從膠體中排出；稀釋劑用量過?。ǎ?%，1#、2#、3#樣本），膠體過于粘稠，經(jīng)真空排氣后氣泡很難從膠體里排出；稀釋劑用量過大（＞8%，5#樣本），膠體過稀，硫化時間長、強度降低。

3.6 實驗結果

1）室溫硫化硅橡膠最佳膠料配比（如表4所示）：交聯(lián)劑4%，催化劑5%，稀釋劑8%；

2）交聯(lián)劑用量少，膠料不易硫化，但當交聯(lián)劑用量達到一定程度后，再增加用量反而使硫化速度減慢；

圖2 實驗前后對比

表2 實驗二記錄

表3 實驗三記錄

表4 硅橡膠主要成份及配比

3）改變催化劑和交聯(lián)劑用量，可以調節(jié)硫化時間；

4）稀釋劑可改變硅橡膠粘稠度和流動性。膠的黏度大，氣泡比較難消除，也不利于操作；膠的黏度小，硅橡膠在慢慢硫化的過程中氣泡會慢慢上升到表面，可以減少氣泡的產(chǎn)生。

4 濕度與硫化時間

4.1 實驗項目

在相同環(huán)境溫度（室溫）條件下，通過改變電子防潮箱內部濕度來模擬不同的濕度環(huán)境，觀察硅橡膠硫化速度與濕度變化的關系。

4.2 實驗原理

室溫硫化硅橡膠主要是依靠吸收空氣的水分硫化，在相同時間內，不同的環(huán)境濕度影響硅橡膠的硫化速度，濕度越高，硫化速度越快。

4.3 實驗設備及材料

電子防潮箱、電子天平、硅橡膠、計時器、膠體容器、培養(yǎng)皿。

4.4 實驗方法

1）利用電子防潮箱模擬一個恒溫、恒濕的環(huán)境。

環(huán)境一：將乘滿清水的培養(yǎng)皿放入電子防潮箱，一段時間后防潮箱上濕度顯示為60%，觀察1h，濕度穩(wěn)定在50%左右；

環(huán)境二：將一塊完全浸濕的抹布放入電子防潮箱，一段時間后防潮箱上濕度顯示為90%，觀察1h，濕度穩(wěn)定在90%左右。

環(huán)境三：電子防潮箱正常工作下，濕度為30%左右。

2）將準確稱量的2g硅橡膠注入干燥清潔的容器中，放入不同濕度環(huán)境的電子防潮箱內，記錄不同濕度環(huán)境下硫化程度隨時間變化的情況，實驗記錄見表5。

表5 濕度與硫化時間記錄表

4.5 結果

在相同環(huán)境溫度條件下，相對濕度越高其硫化速度越快。從表5實驗數(shù)據(jù)可以看出，當環(huán)境濕度為90%時，膠體流淌性最差，硫化時間最短；環(huán)境濕度減小，膠體流淌性好，硫化時間變長。同時兼顧器件工作特性，環(huán)境濕度不應過大，最佳保持在40%左右（與環(huán)境濕度一致），實際中可以采取在周圍放置濕布的方法適當增加空氣濕度來加快硫化速度。

5 溫度與硫化時間

5.1 實驗項目

在相同濕度條件下，通過改變溫箱溫度值，觀察不同環(huán)境溫度下硅橡膠硫化速度與溫度的關系。

5.2 實驗原理

硅橡膠的硫化時間與硫化溫度密切相關，在硫化過程中，硫化膠的各項物理、力學性能達到或接近最佳點時，此種硫化程度稱為正硫化或最宜硫化。

5.3 實驗設備及材料

溫箱、電子天平、硅橡膠、計時器、膠體容器。

5.4 實驗方法

將準確稱量的2g硅橡膠注入干燥清潔的容器中，放入不同溫度設定的溫箱內，記錄不同溫度環(huán)境下硫化程度隨時間變化的情況，實驗記錄見表6。

表6 溫度與硫化時間記錄表

5.5 結果

如表6所示，在相同環(huán)境濕度的條件下。溫度越高其硫化速度越快，溫度對硫化速度的影響更加明顯。硫化溫度高，硫化速度快，生產(chǎn)效率高；反之生產(chǎn)效率低。但如果單純提高硫化溫度又會導致：①膠料焦燒時間縮短，充模時間減少，造成制品局部缺膠；②對于厚層膠料會增加膠體的內外溫差，導致硫化不均勻。因此，硫化溫度的選取應綜合考慮硅橡膠的種類、硫化體系及制品結構等各種因素。在實際操作中，主要是在室溫的條件下合理地調節(jié)催化劑的用量來提高硫化速率。

6 操作工藝改進方案

室溫硫化硅橡膠灌封操作工藝包括膠料的配置、混合、攪拌、真空排氣、注膠，以及模具處理、脫模等，操作方法不當會造成硫化后的硅橡膠存在嚴重的質量缺陷。表7列舉了外觀檢驗時的常見質量缺陷，分析了原因，并提出了對應的改進方案，具體如下：

1）攪拌硅膠時，附著在容器四壁和底部的一層硅膠很容易因攪拌不到而無法硫化，導致膠體硫化不均[9]，產(chǎn)生缺膠或氣泡。因此在調膠時，要充分攪拌，使膠料混合均勻。

2）真空排氣的時間過長，硅橡膠已經(jīng)開始發(fā)生硫化反應，流動性變差，不易進行操作；真空排氣時間過短，不僅硅橡膠成型后發(fā)軟，更易造成表面氣泡；抽真空后，需保持在真空環(huán)境中靜置1～2min，讓藏在硅膠內部的氣泡慢慢析出。

3）硫化速度過快，導致膠料未能充滿模具腔內便已經(jīng)硫化造成缺膠。調整配方，降低膠料的粘稠度，提高其流動性，既有利于排出膠料里的氣泡又能使膠料在短時間內充滿模具空腔[10-11]。

4）用酒精徹底清潔金屬表面后均勻刷涂底涂劑，涂好底涂的金屬面要充分干燥，最好放于烘箱中3～5min，讓溶劑充分揮發(fā)，排除了被粘物和膠料表面的水分，從而提高了粘接強度。

表7 原因分析及改進方案

5）脫模時，應沿著模具邊緣均勻用力而不是只在一個方向取模，否則會導致硅橡膠制品被撕裂。

7 結論

本文通過對室溫硫化硅橡膠硫化工藝的理論分析，結合實驗進一步驗證了膠料配比、硫化溫度、濕度、以及操作工藝等對硅橡膠硫化效果的影響。將新的工藝應用于一代某型號MCT紅外探測器組件外部總裝中，其工藝效果明顯改善，如表8所示，硅橡膠一次灌封的合格率由原來的54%提高到79%。通過改進前后直方圖的對比分析，改進后外觀合格率提高到79%，局部處理百分比降低到21%，返工率降為0（如圖3所示）。因此，新的改進措施在很大程度上提高了產(chǎn)品的質量，而可靠性與安全性也得到了提高。

表8 改進前后工藝效果對比分析

（改進前、后均以48支某型號產(chǎn)品為樣本）

圖3 改進前后直方圖對比分析

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Research on Technology of Room Temperature Vulcanized Silicone Rubber

LI Wenxia，KANG Rong，HOU Likun，DAI Yan，SU Runhong

(,650223,)

Room temperature vulcanized silicone rubber has a good high temperature resistance and low temperature resistance, and a good seismic resistance and tightness. It is analyzed the influence factors on technology of room temperature vulcanize silicone rubber through theory and experiments. The results show that effect of rubber is connected with proportioning, temperature, humidity and operation technology. In order to increase the percent of pass, we improved technology and advanced the reliability and safety finally.

vulcanized silicone rubber，vulcanized technology，silicone proportioning

TQ336.4＋2

A

1001-8891(2016)07-0581-06

2015-10-27；

2015-12-30.

李雯霞（1980-），女，云南人，工程師，主要從事器件測試及封裝工藝。E-mail：276002693@qq.com。