蔡 律 楊懷宇

溫濕度對(duì)GD414硅橡膠硫化速度的影響

蔡 律 楊懷宇

(西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安 710061）

針對(duì)GD414硅橡膠在實(shí)際使用中硫化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)找到提高其硫化速度的方法，在不同溫度、濕度條件下對(duì)GD414硅橡膠的表干時(shí)間、消粘時(shí)間及硫化深度進(jìn)行測(cè)試分析，找出了使用過(guò)程中最佳溫濕度，提出提高固化效率的措施，并就GD414實(shí)際使用提出建議。

GD414；溫濕度；硫化條件；硅橡膠

1 引言

室溫硫化硅橡膠（RTV）是上世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種有機(jī)硅彈性膠體，在室溫下無(wú)需加壓加熱即可就地固化，使用起來(lái)十分方便[1]。按照硫化機(jī)理，可以分為縮合型和加成型，其中縮合型RTV適用條件廣，使用簡(jiǎn)單，但是固化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，深部硫化較為困難，在使用中一般需要放置較長(zhǎng)時(shí)間待其完全固化。

GD414屬于縮合脫醇型單組份室溫硫化硅橡膠，具有高強(qiáng)度、高斷裂伸長(zhǎng)率等特點(diǎn)，可以在-60～200℃范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用，且具有良好的耐紫外光、耐氣候老化性、絕緣性、化學(xué)惰性等優(yōu)點(diǎn)[2]，產(chǎn)品硫化時(shí)對(duì)金屬無(wú)腐蝕性，硫化過(guò)程不吸熱、不放熱[3]，操作簡(jiǎn)單，使用方便，在航天產(chǎn)品研制生產(chǎn)中，可以作為元器件、導(dǎo)線等的抗振加固材料，材料手冊(cè)中對(duì)于它的使用，給出了室溫硫化7天的要求，硫化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)[4]。

GD414硅橡膠使用時(shí)，在催化劑的作用下，借助空氣中的水分發(fā)生縮合反應(yīng)，交聯(lián)形成彈性體[5，6]，水在硫化過(guò)程中起主要反應(yīng)劑的作用[7]。反應(yīng)過(guò)程中，增加濕度可以增加反應(yīng)物水的濃度，提高溫度可以增加水分子運(yùn)動(dòng)速度，均可以提高反應(yīng)速率[4]。因此本文以溫度和相對(duì)濕度為變量，對(duì)GD414硫化過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)分析，探究其對(duì)硫化速度的影響。

2 試驗(yàn)

使用四川自貢中晨晨光化工研究院生產(chǎn)的GD414脫醇型單組份室溫硫化硅橡膠，生產(chǎn)日期為20210614，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為Q/45090448-850—2019。

設(shè)計(jì)溫度對(duì)硫化過(guò)程影響的試驗(yàn)方案，濕度為(50±5)%RH，選取(20±2)℃、(30±2)℃、(40±2)℃、(50±2)℃、(60±2)℃、(70±2)℃、(80±2)℃共七個(gè)溫度點(diǎn)，測(cè)定每個(gè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)指標(biāo)。

設(shè)計(jì)濕度對(duì)硫化過(guò)程影響的試驗(yàn)方案，溫度為(25±2)℃，選取(30±5)%RH、(40±5)%RH、(50±5)%RH、(60±5)%RH、(70±5)%RH、(80±5)%RH共六個(gè)濕度點(diǎn)，測(cè)定每個(gè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)指標(biāo)。

以橡膠硫化過(guò)程中常見(jiàn)的三個(gè)指標(biāo)考查硫化反應(yīng)速度。

表干時(shí)間：以GB/T13477.5—2002《建筑密封材料試驗(yàn)方法中表干時(shí)間測(cè)試方法》中B法為參考，即用無(wú)水乙醇擦拭干凈手指端部，每隔一段時(shí)間，輕觸試件表面，直至無(wú)試樣粘附在手指上所經(jīng)歷的時(shí)間。

消粘時(shí)間：將產(chǎn)品在潔凈的聚四氟乙烯板上擠出約5mm的長(zhǎng)條，每隔一段時(shí)間，用手指按壓膠條表面，直至膠條表面完全硫化，干爽不粘手的時(shí)間[8]。

硫化深度：將產(chǎn)品涂抹在潔凈的聚四氟乙烯板上，尺寸為30mm×30mm×6mm，放置在規(guī)定溫濕度下硫化24h，沿垂直試樣方向縱向切開(kāi)一刀，將其從板上剝落，用刻度尺測(cè)量試樣中部硫化的厚度。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度對(duì)GD414硫化過(guò)程的影響

3.1.1 溫度對(duì)GD414表干時(shí)間及消粘時(shí)間的影響

相對(duì)濕度為(50±5)%RH時(shí)，七個(gè)溫度點(diǎn)下測(cè)得的GD414硅橡膠的表干時(shí)間和消粘時(shí)間見(jiàn)表1，溫度與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖1。

表1 不同溫度下GD414表干時(shí)間、消粘時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

圖1 溫度與表干時(shí)間及消粘時(shí)間關(guān)系圖

GD414硅橡膠表面固化的本質(zhì)就是硫化反應(yīng)，基體的端羥基與水發(fā)生縮合反應(yīng)，形成彈性膠體，其硫化速度很大程度上取決于水在膠層中的擴(kuò)散速度[9]。當(dāng)溫度低于50℃時(shí)，隨著溫度的增加，表干時(shí)間及消粘時(shí)間大幅縮短，50℃以后兩者變化趨于平緩。這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)，環(huán)境中水分子的運(yùn)動(dòng)能較低，分子平均運(yùn)動(dòng)速度慢，與硅橡膠表面端羥基的接觸概率低，固化反應(yīng)慢，這時(shí)升高溫度使水分子運(yùn)動(dòng)能增加，運(yùn)動(dòng)速度變快，加速了水分子的擴(kuò)散過(guò)程，快速與硅橡膠表面待參與反應(yīng)的端羥基發(fā)生縮合，硫化速度加快。當(dāng)溫度超過(guò)50℃后，雖然提升溫度，水分子運(yùn)動(dòng)速度仍會(huì)加快，但是表面膠層能參與反應(yīng)的端羥基數(shù)量有限，過(guò)多的水分子無(wú)法參與反應(yīng)，因此升高溫度硅橡膠表面固化反應(yīng)的變化程度趨于緩和。

3.1.2 溫度對(duì)GD414硫化深度的影響

相對(duì)濕度為(50±5)%RH時(shí)，七個(gè)溫度點(diǎn)下測(cè)得的GD414硅橡膠24h的硫化深度見(jiàn)表2，溫度與硫化深度的關(guān)系見(jiàn)圖2。

表2 不同溫度下GD414的24h硫化深度統(tǒng)計(jì)表

圖2 溫度與24h硫化深度關(guān)系圖

隨著溫度升高，GD414硫化深度逐漸加深，但是當(dāng)溫度超過(guò)60℃時(shí)，硫化過(guò)程中硅橡膠內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生氣泡，當(dāng)溫度繼續(xù)升高，內(nèi)部氣泡的數(shù)量變多、體積增大，導(dǎo)致硅橡膠固化的厚度增加，當(dāng)溫度達(dá)到80℃時(shí)，最終形成泡沫狀膠體結(jié)構(gòu)，影響使用效果。

3.2 相對(duì)濕度對(duì)GD414硫化過(guò)程的影響

3.2.1 相對(duì)濕度對(duì)GD414表干時(shí)間及消粘時(shí)間的影響

溫度為(25±2)℃，六個(gè)濕度點(diǎn)下測(cè)得的GD414硅橡膠的表干時(shí)間及消粘時(shí)間見(jiàn)表3，濕度與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖3。

表3 不同濕度下GD414表干時(shí)間及消粘時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

圖3 濕度與表干時(shí)間及消粘時(shí)間關(guān)系圖

當(dāng)濕度小于60%RH時(shí)，隨著濕度增加，GD414硅橡膠的表干時(shí)間和消粘時(shí)間都隨之縮短，呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，主要是由于增加濕度，相當(dāng)于增加水分子的濃度，即增加反應(yīng)物的濃度，促進(jìn)硫化反應(yīng)向右進(jìn)行，有利于提高硫化速度；當(dāng)濕度大于60%RH時(shí)，即使增加濕度，硅橡膠表面參與縮合反應(yīng)的端羥基數(shù)量有限，同時(shí)過(guò)多的水分子附著在硅橡膠表面，反而使GD414基體發(fā)生溶脹，表面發(fā)粘，表干時(shí)間和消粘時(shí)間反而增加，考慮過(guò)長(zhǎng)的消粘時(shí)間下膠體表面易受污染、硫化過(guò)慢易產(chǎn)生氣泡等原因，不推薦該條件下使用。

3.2.2 相對(duì)濕度對(duì)GD414硫化深度的影響

溫度為(25±2)℃，六個(gè)濕度點(diǎn)下測(cè)得的GD414硅橡膠的硫化深度見(jiàn)表4，濕度與硫化深度的關(guān)系見(jiàn)圖4。

隨著相對(duì)濕度的增加，GD414的24h硫化深度增加，從濕度30%RH增加到40%RH時(shí)，硫化深度增加明顯，后續(xù)隨著濕度上升，硫化深度變化趨于平緩。分析認(rèn)為，相對(duì)濕度達(dá)到40%RH時(shí)，隨著表面的硫化，水分子進(jìn)入膠體的難度加大，反應(yīng)物的溢出變得困難，即使增加濕度，能進(jìn)入膠體內(nèi)部的參與反應(yīng)的水分子數(shù)量增加有限，因此硫化深度的增加趨于平緩。

表4 不同濕度下GD414的24h硫化深度統(tǒng)計(jì)表

圖4 濕度與24h硫化深度關(guān)系圖

4 結(jié)束語(yǔ)

a. GD414硅橡膠隨著溫度的升高，硫化速度加快，考慮硫化效果及產(chǎn)品元器件使用時(shí)溫度限制，推薦在溫度為50～60℃范圍內(nèi)進(jìn)行硫化。

b. GD414硅橡膠隨著濕度的增加，表面固化時(shí)間呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，推薦在相對(duì)濕度為40%～60%RH的范圍內(nèi)進(jìn)行硫化，可以提高硫化速度。

c. GD414硅橡膠的固化由外向內(nèi)進(jìn)行，單次涂覆過(guò)厚，表面硫化形成的硫化橡膠層阻止水分子進(jìn)入膠體內(nèi)部參與反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部未參與硫化或硫化不完全，最終形成缺陷，影響使用。因此建議涂覆過(guò)程中選擇分次涂覆，每次厚度為2～3mm，待完全固化后再涂覆下一層。

1 林修勇. 硅橡膠在電氣絕緣方面的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 特種橡膠制品，2003(10)：9～10

2 馮圣玉，張潔，李美江，等. 有機(jī)硅高分子及其應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：89～132

3 沙愛(ài)學(xué)，王慶如，李興無(wú). 航空用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金的研究及應(yīng)用[J]. 稀有金屬，2004，28(1)：239～242

4 成鋼，李堯. 航天用RTV GD414硫化性能研究[J]. 真空與低溫，2013，19(1)：50～55

5 周寧琳. 有機(jī)硅聚合物導(dǎo)論[M]．北京：科學(xué)出版社，2000：112～145

6 幸松民，王一璐. 有機(jī)硅合成工藝及產(chǎn)品應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：614～616

7 江畹蘭. 水在液體硅橡膠室溫硫化中的作用[J]. 世界橡膠工業(yè)，2001(1)：9～11

8 王奉平，周福維. 鈦酸酯對(duì)脫醇型透明單組分硅橡膠性能的影響[C]. 2005年液體硅橡膠信息交流會(huì)論文集，三亞，2005：5

9 王其召. 空間級(jí)室溫硫化硅橡膠的合成與性能表征[D]. 蘭州：蘭州大學(xué)，2004：14～22

Study on Curing Conditions of GD414 Silicone Rubber

Cai Lv Yang Huaiyu

(Xi’an Space Engine Co., Ltd., Xi’an 710061)

Since the curing time of GD414 silicone rubber is too long in practical use, the method of increasing the curing speed was found by experiment. The surface drying time, unsticking time and curing depth of GD414 silicone rubber under different temperature and humidity conditions were tested and analyzed, found out the optimum temperature and humidity in use process, put forward to reduce the curing time, and raise some effective measures to improve the curing efficiency, to provide the reference for actual work.

GD414；temperature and humidity；curing conditions；silicone rubber

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A

蔡律（1993），工程師，高分子材料與工程專業(yè)；研究方向：有機(jī)材料及化學(xué)分析。

2022-09-07