Vedel silikoonkumm (LSR) on mitmekülgne elastomeer, mida kasutatakse laialdaselt lennunduses, elektroonikapakendites, meditsiiniseadmetes ja täppisvormimistööstuses tänu selle suurepärasele voolavusele, termilisele stabiilsusele, biosobivusele ja keemilisele inertsusele. Kriitiline väljakutse LSR-i koostises on kahe näiliselt vastandliku nõude ühitamine: madal viskoossus suurepärase töödeldavuse tagamiseks (nt lihtne survevalu, mikrovahede kiire täitmine ja tõhus degaseerimine) ja kõrge mehaaniline jõudlus -täpsemalt, vastupidavate lõpptoodete parem rebimistugevus ja tõmbeomadused-. Selles artiklis uuritakse põhimehhanisme, peamisi formuleerimisstrateegiaid ja protsesside optimeerimise meetodeid selle tasakaalu saavutamiseks, pakkudes materjaliarendajatele ja tööstuse praktikutele praktilisi teadmisi.
1. Loomulik kaubandus-Off: viskoossus vs. LSR-i mehaaniline tugevus
Madala viskoossuse ja kõrge mehaanilise jõudluse vahelise tasakaalu leidmiseks on kõigepealt vaja mõista nende kahe omaduse loomulikku kompromissi{0}}. LSR on tavaliselt kahe-komponendiline süsteem, mis koosneb vinüül-sisaldavatest silikoonpolümeeridest, Si-H rühma ristsiduvatest-ühenditest, plaatinakatalüsaatoritest ja erinevatest lisanditest. Selle viskoossuse määrab peamiselt aluspolümeeri molekulmass, hargnemisaste ja komponentidevaheline interaktsioon, samas kui rebenemis- ja tõmbetugevus sõltuvad ristsidumise tihedusest, molekulaarse ahela põimumisest ja täiteainete tugevdavast toimest.
Tavaliselt nõuab rebenemis- ja tõmbetugevuse suurendamine sageli ristsidumise tiheduse suurendamist- või tugevdavate täiteainete lisamist. Suurem ristsidumise tihedus viib aga molekulaarse ahela suurema põimumiseni, mis suurendab otseselt süsteemi viskoossust; liigne täiteaine võib samal ajal põhjustada aglomeratsiooni, mis mitte ainult ei suurenda viskoossust, vaid kahjustab ka mehaanilist ühtlust. Vastupidiselt põhjustab viskoossuse vähendamine molekulmassi või täiteainesisalduse vähendamise kaudu tavaliselt nõrgemaid mehaanilisi omadusi, kuna lühemad molekulaarsed ahelad vähendavad takerdumist ja täiteained annavad vähem tugevdust. Selle kompromissi katkestamine{5}}nõuab polümeermaatriksi, rist-sidesüsteemi, täiteainete valiku ja töötlemisparameetrite sihipärast optimeerimist.
2. Põhikoostisstrateegiad madala viskoossuse ja kõrge mehaanilise jõudluse tasakaalustamiseks
Madala viskoossuse ja kõrge rebenemis-/tõmbetugevuse ühitamise võti seisneb LSR-i koostise täpses kontrollis, keskendudes põhipolümeerile, ristsidussüsteemile, tugevdavatele täiteainetele ja funktsionaalsetele lisanditele. Iga komponent mängib olulist rolli materjali reoloogiliste ja mehaaniliste omaduste optimeerimisel.
2.1 Aluspolümeermaatriksi optimeerimine
Aluspolümeer on LSR-i omaduste alus ja selle molekulaarstruktuur mõjutab otseselt nii viskoossust kui ka mehaanilist jõudlust. Optimaalne lähenemine on kasutada kombinatsiooni madala -molekulaarse- lineaarsete polümeeride ja väikeses koguses suure -molekulaarse- hargnenud ahelaga polümeeridest, selle asemel, et tugineda ainult ühele molekulmassiga klassile.
Madala molekulmassiga -lineaarne polüdimetüülsiloksaan (PDMS) viskoossusega 500–5000 mPa·s tagab suurepärase voolavuse, võimaldades LSR-il sujuvalt voolata töötlemise ajal ja täita keerukaid või mikro-suuruses vorme (nt 0,1 mm mikrovahed elektroonilistes pistikutes). 5–15 massiprotsenti suure -molekulaarse-hargnenud ahelaga PDMS-i (molekulmass > 100 000 g/mol) lisamine toob kaasa kontrollitud molekulaarse ahela põimumise, ilma viskoossust märkimisväärselt suurendamata. See hargnenud struktuur toimib "molekulaarse sillana" lineaarsete ahelate vahel, suurendades kõvastunud LSR-i sitkust ja rebenemiskindlust, jaotades deformatsiooni ajal pinge ühtlasemalt.
Lisaks võib PDMS-i ahela muutmine funktsionaalrühmadega (nt vinüül, hüdroksüül) parandada ühilduvust täiteainete ja ristsiduvate ainetega, optimeerides veelgi viskoossuse ja mehaanilise tugevuse vahelist tasakaalu. Näiteks suurendab vinüül-otsaga PDMS hüdrosilüülimise ristsidumise
2.2 Ristlinkimissüsteemi{1}}täpne juhtimine
Ristsidumissüsteem-sealhulgas ristsiduvad ained, katalüsaatorid ja inhibiitorid-määrab kõvenenud LSR-i ristsidumise tiheduse- ja võrgustruktuuri, mis mõjutab otseselt nii viskoossust kui ka mehaanilisi omadusi. Eesmärk on saavutada ühtlane, mõõdukas ristsidumisvõrgustik{6}}, mis suurendab rebenemis- ja tõmbetugevust, suurendamata kõvastumata LSR-i viskoossust.
Esiteks on kriitilise tähtsusega sobiva ristsiduva{0}}agendi valimine. Multi-funktsionaalsed Si-H ristsiduvad ained (nt tetrametüültsüklotetrasiloksaan), milles on 3–4 funktsionaalset rühma molekuli kohta, võimaldavad moodustada tiheda, kuid paindliku ristsidemevõrgustiku. Võrreldes -funktsionaalsete- ristsiduvate ainetega (5 funktsionaalrühma või rohkem) väldivad need liigset ristsidumist, mis suurendab viskoossust ja vähendab paindlikkust. Ristsiduva aine doosi reguleerimine 0,5–2,0 massiprotsenti (aluse polümeeri suhtes) tasakaalustab ristsidumise tihedust ja viskoossust: ebapiisav annus põhjustab nõrku mehaanilisi omadusi, samas kui liigne annus suurendab viskoossust ja rabedust.
Teiseks vähendab suure -tõhususega plaatina katalüsaatori (nt plaatina-vinüülsiloksaani kompleksid) kasutamine katalüsaatori vajalikku annust (0,001–0,01 massiprotsenti), minimeerides selle mõju viskoossusele. Väikese koguse inhibiitori (nt 1-etünüültsükloheksanooli) lisamine kontrollib ristsidumise kiirust ladustamise ja töötlemise ajal, vältides enneaegset ristsidumist, mis suurendab viskoossust, tagades samal ajal kiire kõvenemise vormimise ajal. Hiljutised uuringud on samuti näidanud, et fosfaseeni derivaatide ristsiduvad ained (nt APESP) võivad asendada traditsioonilist tetraetüülortosilikaati (TEOS), suurendades molekulaarsete ahelate ristsidumise punktide piiramist ja suurendades tõmbetugevust kuni 272% ilma märkimisväärse viskoossuse suurenemiseta.
2.3 Armeerivate täitematerjalide valik ja pinna muutmine
Tugevdavad täiteained on LSR-i rebenemis- ja tõmbetugevuse parandamiseks hädavajalikud, kuid nende valik ja hajutamine mõjutavad otseselt süsteemi viskoossust. Võti on valida suure eripinnaga, hea dispergeeritavusega ja madala viskoossusega täiteained, mis on kombineeritud pinna modifikatsiooniga, et parandada ühilduvust polümeermaatriksiga.
Aurustunud ränidioksiid (nt AEROSIL® 200, 300, 380) on LSR-i kõige laialdasemalt kasutatav tugevdav täiteaine. Selle suur eripind (200–380 m²/g) ja nanomõõtmeline osakeste suurus võimaldavad tõhusat tugevdamist, moodustades vesiniksidemeid PDMS-ahelaga, suurendades molekulaarse ahela takerdumist ja stressi ülekandmist. Modifitseerimata suitsutatud ränidioksiid on aga hüdrofiilne, mis võib põhjustada aglomeratsiooni ja suurendada viskoossust. Hüdrofoobne modifikatsioon (nt heksametüüldisilasaani, HMDS-i kasutamine) vähendab pinna polaarsust, parandades dispersiooni hüdrofoobses PDMS-maatriksis ja minimeerides viskoossuse suurenemist. Näiteks AEROSIL® R 812 S, hüdrofoobse suitsutatud ränidioksiidi, saab kiiresti lisada LSR-i ilma täiendavate töötlemislisanditeta, parandades oluliselt rebenemiskindlust selle koormuse suurenedes, säilitades samal ajal madala viskoossuse.
Lisaks suitsutatud ränidioksiidile võivad kahe- või kolmekomponentsed täitesüsteemid saavutada sünergistlikku tugevdust viskoossust suurendamata. Näiteks alumiiniumoksiidi vurrude (AW) ja alumiiniumoksiidi helveste (AF) kombineerimine LSR-is moodustab kolme-mõõtmelise võrgustruktuuri: AF-id loovad aluse pingeülekandeks, samas kui AW-d ühendavad AF-id ja polümeermaatriksit, suurendades tõmbetugevust 180,9% võrreldes ühe AF-täidisega, ilma märkimisväärse viskoossuseta. Tahm (CB) on veel üks tõhus täiteaine: 2 massiprotsenti CB lisamine LSR-ile suurendab tõmbemoodulit 48% ja vähendab õli riknemise kiirust 50% võrra, säilitades samal ajal madala viskoossuse tänu oma väikesele osakeste suurusele ja heale hajutatavusele. Optimaalne täiteaine annus on tavaliselt 5–15 massiprotsenti: sellest vahemikust allpool ei ole tugevdus piisav; sellest vahemikust kõrgemal toimub aglomeratsioon, mis suurendab viskoossust ja vähendab mehaanilist ühtlust.
2.4 Funktsionaalsete lisandite lisamine
Väikesed kogused funktsionaalseid lisandeid võivad veelgi optimeerida tasakaalu madala viskoossuse ja kõrge mehaanilise jõudluse vahel. Plastifikaatorid (nt madala -molekulaarse- silikoonõli) vähendavad viskoossust, vähendades molekulaarse ahela hõõrdumist, kuid nende annust tuleb kontrollida (vähem kui 5 massiprotsenti), et vältida plastifikaatori migratsiooni, mis nõrgendaks mehaanilisi omadusi. Ühilduvad ained (nt silaani sidumisained) parandavad täiteainete ja polümeermaatriksi vahelist ühilduvust, vähendades aglomeratsiooni ja viskoossust, suurendades samal ajal rebenemis- ja tõmbetugevust. Näiteks 3-aminopropüültrietoksüsilaan (APTES) muudab alumiiniumoksiidi täiteainete pinda, parandades nende dispersiooni LSR-is ja suurendades tõmbetugevust 30–50% ilma viskoossust suurendamata.
3. Protsessi optimeerimine mehaanilise jõudluse suurendamiseks ilma viskoossust suurendamata
Isegi optimeeritud koostise korral mängivad töötlemisparameetrid üliolulist rolli selle tagamisel, et LSR säilitab töötlemise ajal madala viskoossuse, saavutades samal ajal kõrge rebenemis- ja tõmbetugevuse pärast kõvenemist. Peamised protsessiparameetrid hõlmavad segamist, degaseerimist, vormimist ja järelkõvenemist.
3.1 Segamisprotsessi optimeerimine
Segamisprotsess mõjutab otseselt täiteaine dispersiooni ja viskoossust. Kontrollitud kiiruse (500–1500 p/min) ja temperatuuriga (25–40 kraadi) suure-nihkejõuga segisti (nt planetaarsegisti, staatiline segisti) kasutamine tagab täiteainete ja lisandite ühtlase hajumise aluspolümeeris, vältides viskoossust suurendavat aglomeratsiooni. Kahe-komponendi LSR-i puhul tagab 1:1 segamissuhe (nt Silopren® LSR 4650, BD-903) ühtlase kõvenemise ja mehaanilised omadused, samas kui staatiline segamine survevalu ajal välistab ebaühtlase segamise ja viskoossuse kõikumised. Segamisaeg peaks olema 10–30 minutit: liigne segamine suurendab molekulaarse ahela takerdumist ja viskoossust, samas kui ebapiisav segamine põhjustab täiteaine halva dispersiooni ja nõrgad mehaanilised omadused.
3.2 Degaseerimise ja vormimise parameetrid
Degaseerimine on oluline segamise ajal lõksu jäänud õhumullide eemaldamiseks, mis võivad vähendada rebenemis- ja tõmbetugevust, luues pingekontsentratsioonipunkte. Vaakumdegaseerimine (0,08–0,1 MPa) 25–30 kraadi juures 5–10 minuti jooksul eemaldab mullid tõhusalt viskoossust suurendamata, kuna madal temperatuur hoiab ära enneaegse ristsidumise.
Vormimisparameetrid (temperatuur, rõhk, aeg) tuleb optimeerida, et tasakaalustada töötlemise voolavust ja kõvenemise efektiivsust. Survevormimisel peab silindri temperatuur olema 40–60 kraadi (madala viskoossuse säilitamiseks), vormi temperatuur 150–180 kraadi (kõvenemise kiirendamiseks) ja surverõhk 5–15 MPa (vormi täieliku täitmise tagamiseks). Kõvenemisaeg määratakse vormi paksuse järgi: 1–3 minutit õhukese seinaga osade puhul (vähem kui 2 mm) ja 5–10 minutit paksuseinaliste osade puhul. See tagab kiire kõvenemise ilma liigse ristsidumiseta, säilitades kõrged mehaanilised omadused, suurendades samal ajal kõvastumata LSR-i madalat viskoossust.
3.3 Ravi-järgne ravi
Järelkõvenemine (150–200 kraadi 2–4 tundi) eemaldab madala-molekulaarse -massiga ained (nt reageerimata monomeerid, plastifikaatorid) ja parandab ristsidemete ühtlust, suurendades veelgi rebenemis- ja tõmbetugevust, mõjutamata algset kõvenemata LSR-i viskoossust. Näiteks Silopren® LSR 4650 järelkõvastumine 200 kraadi juures 4 tunni jooksul suurendab tõmbetugevust 10,0 N/mm²-lt 11,5 N/mm²-le ja rebimistugevust 50 N/mm-lt 55 N/mm-le, samal ajal kui kõvenemata viskoossus jääb muutumatuks 45 ̇{·2 kraadi juures (45 ̇{·2) s⁻¹). Järelkõvenemine parandab ka termilist stabiilsust ja vähendab kokkusurumist, pikendades LSR-toodete kasutusiga.
4. Juhtumiuuringud ja praktilised rakendused
Mitmed kaubanduslikud LSR-tooted demonstreerivad ülalkirjeldatud strateegiate abil madala viskoossuse ja kõrge mehaanilise jõudluse edukat tasakaalu. Näiteks:
Silopren® LSR 4650 (Momentive): kahe-komponentne LSR segamisviskoossusega 450 Pa·s (20 kraadi, ̇=10 s⁻¹), kõvenenud tõmbetugevusega 10,0 N/mm², katkestusega pikenemisega 550% ja rebenemistugevusega 550% B2 (dieet) 4 mm/mm. Seda kasutatakse laialdaselt meditsiiniseadmetes (nt kateetrid, nisad) tänu selle madalale viskoossusele täppisvormimiseks ja suurele mehaanilisele tugevusele vastupidavuse tagamiseks.
BD-903 (Hangzhou Guinie uued materjalid): madala-viskoossusega, suure rebenemisvõimega LSR segaviskoossusega 35000±5000 mPa·s (25 kraadi), tõmbetugevus 7,5 MPa, rebenemistugevus 42 KN/m ja purunemispikenemine 60%. Selle optimeeritud täiteaine dispersioon ja ristsidumissüsteem{10}} muudavad selle sobivaks ülitugevate pottide ja silikoontoodete jaoks.
Kolmekomponentsete AW-de/AF-de/LSR-i komposiit: modifitseeritud LSR 20 massiprotsenti AF-ga ja 5 massiprotsenti AW-ga, viskoossusega 0,2655 W m⁻¹ K-¹, tõmbetugevusega 7,81 MPa (180,9% kõrgem kui binaarpakendamise konstant, mis on ideaalne dielektroonilise pakendamise jaoks). rakendusi.
5. Väljakutsed ja tulevikutrendid
Vaatamata märkimisväärsetele edusammudele on LSR-i madala viskoossuse ja kõrge mehaanilise jõudluse tasakaalustamisel endiselt mitmeid väljakutseid. Näiteks põhjustab suur täiteainekoormus (üle 15 massiprotsenti) endiselt viskoossuse tõusu ja halva töödeldavuse; funktsionaalsete täiteainete (nt süsinik-nanotorud, grafeen) ja PDMS-i ühilduvus vajab täiendavat parandamist; ja modifitseeritud täiteainete (nt hüdrofoobse suitsutatud ränidioksiidi) hind piirab laiaulatuslikku-kasutust.
Tulevased suundumused keskenduvad kolmele suunale: (1) Uute baaspolümeeride (nt plokk-kopolümeerid, funktsionaliseeritud PDMS) väljatöötamine, millel on omane madal viskoossus ja kõrge mehaaniline tugevus, vähendades sõltuvust täiteainetest; (2) uute täitematerjalide (nt nanotselluloos, modifitseeritud savi) uurimine, millel on parem tugevdamise tõhusus ja väiksem viskoossus; (3) Tehisintellekti (AI) ja masinõppe integreerimine koostiste ja töötlemisparameetrite optimeerimiseks, saavutades viskoossuse ja mehaaniliste omaduste täpse kontrolli. Lisaks ühtlustab bio-põhiste LSR-i ja keskkonnasõbralike täiteainete väljatöötamine ülemaailmsete jätkusuutlikkuse trendidega, laiendades madala-viskoossusega ja tugeva{10}}LSR-i rakendusala.
6. Järeldus
Suurema rebenemis- ja tõmbetugevuse saavutamine LSR-is, säilitades samal ajal madala viskoossuse, on süstemaatiline projekt, mis nõuab koostise, ristsidumissüsteemi, täiteainete valiku ja töötlemisparameetrite koordineeritud optimeerimist. Segapõhiste polümeeride süsteemi kasutamine (madala molekulmassiga -madala molekulmassiga lineaarne + suure -molekulaarse massiga-hargnenud ahelaga), ristsidumissüsteemi täppisjuhtimine-, pinda-modifitseeritud tugevdavad täiteained ning optimeeritud segamis-/vormimis-/post-jõudlus mehaaniliste ja kõvenemisprotsesside vahel võib olla viskoossus katki.
See tasakaal mitte ainult ei laienda LSR-i kasutamist suure-täpse ja vastupidavusega{1}}valdkondades (nt mikroelektroonikapakendid, meditsiiniseadmed, kosmosekomponendid), vaid annab ka teoreetilise ja praktilise aluse järgmise -põlvkonna LSR-materjalide väljatöötamiseks. Materjaliteaduse ja töötlemistehnoloogia arenedes paraneb madala-viskoossusega ja suure{7}}tugeva LSR-i jõudlus jätkuvalt, täites erinevate tööstusharude järjest karmistuvad nõuded.