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硅橡胶加工性能及应用

硅橡胶加工性能及应用


 
   

    硅橡胶(SiliconeRubber)属高性能上等材料,但无论是固态还是液态,均由3种组分组成:聚合物、填充料和添加剂。通过调整添加剂和颜料、稳定剂等其他材料的比例,可生产出个性化的硅橡胶以满足特定需求。硅橡胶的生物相容性和多种物理特性等方面具有优势。

    1  硅橡胶的应用

   硅橡胶发展于上世纪40年代,国外*早研究的品种是二甲基硅橡胶。1944年左右,由美国DOWCORNING公司和GENEPALELECTIC公司各自投入生产。室温硫化硅橡胶则在1954年问世,我国在80年代初期已研究成功并投入工业化生产,现在生产硅橡胶的主要国家除我国外,有美国、英国、日本、俄罗斯和德国等。近20年来,产品不断更新,品种牌号逾千,主要用于科技含量高,负载极大的汽车、运输、休闲、医疗等领域。

    1.1  医疗用品

   在众多的合成橡胶中,硅橡胶是其中的佼佼者。它具有无毒无味、不怕高温和严寒的特点。在300℃和-90℃时,仍保持有一定的强度和弹性。硅橡胶还有良好的电绝缘性、耐氧老化性、耐光老化性以及防霉性、化学稳定性等。由于具有了这些优异的性能,使得硅橡胶在现代医学中获得了十分广泛的应用。

    1.1.1  器官或组织代用品

   这些制品可分为长期和短期留置于体内的产品。长期留置于体内的产品有脑积水引流装置、人工肺、视网膜植入物、人工脑膜、喉头、人工指关节、人造鼓膜、牙齿印模及托牙组织面软衬垫、人工肌腱、人工心脏瓣膜附件等。短期留置于体内的起到补液、抢救、引流注入、防粘连或消泡作用的产品有静脉插管、导尿管、腹膜透析管、接触眼镜、输血管、泄压管、胸腔引流管、胃镜套管、中耳炎通气管、导液管和鼻插管等。

    1.1.2  医疗机械关键部件

   这些产品包括人工指关节、人工**包膜、软组织扩张器包膜、膝盖膜、心脏瓣膜、泵管、波纹管、**假体、人工颅骨涂层等对物性要求高的制品,心须采用高强度、高抗撕、高定伸、低变形及屈挠性良好的医用硅橡胶胶料进行制作。

    1.1.3  整容和修复手术

   近20年来,硅橡胶在整容和修复术方面也得到了广泛的应用。用硅橡胶来修补面容的缺陷,如修补前额、鼻子、下额、脖颈、外耳缺损、颅骨和胸部整容手术等。目前,这些植入品中争议较大的是人工**。从其分析结果来看,认为导致这一问题产生的原因可能是由**假体内填充的硅凝胶的渗漏或长期植入后的异物反应而引起的。这并不是*终的结论,还有待进一步观察和探讨。不过,为了消除植入者对硅凝胶填充人工**的担忧,现已开发出了较安全的注人生理盐水型的人工**。这一产品与硅凝胶填充型的相比,无论是手感还是安全感,相对来说都要好得多,即使略有渗漏也不会对人体造成伤害。

    1.1.4  **缓释体系

   延长**疗效和提高**的专一性和安全性是药学研究中的一项重要课题。利用硅橡胶来控制**释放的方式主要有包封型和微粒分散型两种。目前,利用硅橡胶生物材料为基质的可控缓释剂已应用于避孕药和**药中,并取得了良好的效果。释放体系也可用于其他许多**在动物体内的控制释放。

    1.1.5  体外用品

   硅橡胶薄膜具有良好的透氧、透二氧化碳的特性和与人体皮肤水分蒸发量相近的透湿性,以及对人体无毒、无害、无过敏、不易引起异物反应或排斥反应等优点,在用尼龙、聚酯纤维等增强后用作人造皮膜。

   医用硅橡胶制品的设计、生产和销售与普通硅橡胶制品基本上是相同的。但对所有材料、制造工艺、加工设备、生产环境、产品包装的要求要比普通制品高得多。用于制造植入品的所有材料或将要与人体粘膜长期接触的植人品都必须在动物体内进行长期植入试验。通过试验证明其植入品对人体无毒(尤其是重金属)、不会引起组织炎症反应、副产物不会向重要器官迁移、材料本身未出现老化现象时,方可投入临床应用。即使严格按照规定的生产方法进行加工,每批新产品也都必须进行一系列的短期试验,以确保植入料中的有机杂质都会使其在二段硫化过程中碳化和褪色,因此装备一个有效的净化室是非常必要的。一般来讲,与血液接触的硅橡胶制品应在100级(每立方英尺空气中0.3μm的杂质粒子不超过100个)的净化室内进行加工制作:各种纯胶管和用于维持生命但并不植入体体内的制品,通常是在10000级(每立方英尺空气中0.3μm的杂质粒子不超过10000个)净化室内制作的。

    1.2  生物医学工程

   主要包括医疗用装置、医用电极、生物植入传感器的外包装材料。

    1.2.1  腹腔内化疗输药装置

   一种全硅胶植入式腹腔内化疗导管系统。该装置以医用硅橡胶为原料,由储药盒的导管组成。

    1.2.2  医用电极(板)

   因要与人体接触,所以要求材料柔软、舒适、呈生理惰性、对人体无毒、对皮肤无刺激、透气性能好。在使用过程中还要承受高温高压、溶剂**,且性能不受影响。要满足上述要求,硅橡胶作为基材较为合适。

    1.2.3  生物传感器

   不仅在基础研究、临床医学、食品发酵、环境保护等方面显示了美好的前景,而且在活体应用方面也已成为可能。其中,两种生物传感器——生物医学电极和植入传感器是活体应用较为典型的例子。供移植使用的生物传感器外面通常需要一层包装材料,用来隔开周围的生理环境,因此对材料的可靠性、耐久性、生物相容性等提出了更高的要求。在电极外的硅橡胶层可以很薄,水和其他小分子可以自由通过。这种硅橡胶可以作为一种葡萄糖敏感电极的外包装,用来监控和调节糖尿病人血液中的葡萄糖水平。

   医用硅橡胶在生命科学、医疗器械、**等领域已得到广泛的应用,但还有巨大潜力,随着生命科学的发展及生物材料的研究,它将为人类社会作出更大的贡献。

    1.3  密封制品及密封胶

   硅橡胶具有良好的耐屈挠性、耐高温性及耐老化性。由于硅橡胶有良好的理化性能,20世纪50年代就开始在许多重要橡胶密封制品中采用,而且随着汽车工业的发展,使硅橡胶的用量大幅度增加。汽车发动机用硅橡胶密封制品的使用寿命可满足10年以上及15万km的苛刻要求。近年来,无需二次硫化的硅橡胶耐热温度提高了50℃,并改善了硅橡胶的粘接性和机械强度。

   硅橡胶应用于密封制品的领域相当广泛。主要密封制品有汽车发动机曲轴后密封圈、燃油泵密封件、空调压缩机密封件、电位器绝缘衬套和灌封材料等。2003年3月消息,道康宁公司开发的一系列高性能热塑性弹性体有可能在汽车发动机舱密封件、垫片和胶管中取代热硫化型橡胶如丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶。这种硅橡胶基材料名为TPSiV,依据品级和产品,价格在10-15美元/kg。这种材料是在工程热塑性塑料相中分散有完全硫化的硅橡胶粒子。连续的TPE相可为聚酞胺或一种未披露的专有技术材料。这种新的TPE兼具硅橡胶的良好高低温性能及TPE典型的热熔加工性能和耐化学性能,可熔融反复加工,材料总耗量降低,并可回收再用。它们不会取代苯乙烯类TPE和EPDM/PP类TPV,而是用于这两类材料不能满足性能要求的场合。

    具有酸碱作用的硅橡胶密封胶包括SGS689高粘结性硅酮结构密封胶及SWS683耐候性柔性密封胶两个品种。上述两种新产品由于含有酸(碱)官能团的材料,所以对呈碱(酸)性的被粘基材料表面的酸碱配位连结作用,具有高于一般硅橡胶的粘合性能及粘合稳定性能。SGS689密封胶属于中模量的密封胶产品,主要用于现代建筑业玻璃幕墙的结构粘结工程(SGS施工法):SWS683密封胶属于中低模量的产品,主要用于幕墙构件间的柔性密封粘接。两种产品均采用中**联(硫化)体系,使用时对基材料无任何腐蚀作用,胶层对雨雪、臭氧及紫外线的腐蚀作用具有很强的抵抗力。SGS689高粘结性硅酮结构密封胶的主要技术指标:邵尔硬度46,拉伸粘合强度1.10MPa,浸水后的拉伸粘合结强度1.06MPa,热老化失重2.7%,热老化(龟裂、粉化)0.0%;各项技术指标全部超过国家标准GB16776-1997《建筑用硅酮结构胶》规定的要求。SWS683耐候性硅酮柔性密封胶的主要技术指标;邵尔硬度37,拉伸粘含强度1.00MPa,定伸160%的粘合破坏试验,无破坏:热老化失重2.4%,热老化(龟裂、粉化)0.0%:各项技术指标全部超过国家标准GBI4683-1992《建筑用硅酮密封膏》标准规定的要求。

    1.4  防水涂料

   KH-LI0硅橡胶乳胶是硅橡胶生胶在水中的分散体。把它涂布于物体表面,在室温下随着水分的挥发,能逐渐反应而生成连续的硅橡胶弹性薄膜。它既具有硅橡胶的耐老化、耐高低温、生理惰性等优点,又能与各种材料很好的粘结,可广泛用于需要硅橡胶薄膜的场合。

    2  硅橡胶的性能和加工

   硅橡胶属合成聚合物,独特的分子结构形成了硅原子和氧原子交替的主链,这一结构链类似石英等矿物的结构链。与其他弹性体相比,硅橡胶具有优异的耐热性能。两种催化剂体系常用于进行硅氧烷交联:过氧化物(自由基)体系和白金(加成硫化)体系。早期硅橡胶用过氧化物作为催化剂以促进硅氧烷固化,但过氧化物反应会在橡胶中留下酸性残渣。虽然现在仍然使用过氧化物,但是加成硫化的白金催化型橡胶已被生产商广泛接受,主要是因为固化速度快,不存在过氧化物喷霜现象。当各种必须的组分混合之后,形成的混合物可即刻进入固化工序。除了高稠度(纯胶料)硅橡胶(亦是通过氧化物固化材料的一种形式)之外,还有液态硅橡胶(LSR)形态的加成硫化硅橡胶。

    2.1  性能

   硅橡胶具有稳定的硅氧化学结构,能赋予弹性体独特的性能,包括生物相容性,优异的耐高温、耐化学性能,优良的机械电气性能,天然透明度和半透明度。大量试验证明,与其他弹性体相比,硅橡胶表现出与人体组织和体液的优异相容性,植入体内时组织反应极低。硅橡胶无色无味,不会助长**繁殖,亦不会玷污或腐蚀其他材料。作为医用产品,硅橡胶配方符合FDA、ISO和三组分生物相容性指南。与绝大多数弹性体相比,硅橡胶能承受极广的温度范围,经历-60-260℃的温度变化时仍能保持稳定,而且可通过EtO气体、γ射线或E射线辐射、蒸煮和其他方法进行**处理。硅橡胶能承受水和多种化学剂腐蚀,包括某些酸性物质、氧化性化学剂、氨水和异丙醇。但是,硅橡胶不能与浓缩性酸或溶剂混用。硅橡胶撕裂强度(250ppi)和拉伸强度(1500psi)较高,伸长率(1250%)和柔软性能优良,加压变形率低。柔软型硅橡胶能永远保持其柔软性,增强凝胶型硅橡胶的硬度是*低的。硅橡胶在电气应用中具有优异的绝缘性能和功能性,使所有可比材料望尘莫及。硅橡胶在极端温度中能保持绝缘作用和介电强度,能耐远远超过了传统绝缘材料的能力范围。

    2.2  加工

   硅橡胶通常用三种主要模塑方式:液体注塑(LIM)、模压和挤出。LIM经常用于批量生产,与其他模塑方法相比,LIM采用较低的压力(250-2000psi)和较高的温度(110-250℃)。模压和挤出则采用较高的压力(2000-8000psi)和较低的温度(90-180℃)。在模压过程中必须严格控制温度、压力和时间。温度应高低适宜,允许气体全部溢出,防止模腔内出现空洞和溢料。

   LIM在硅橡胶生产中具有诸多优点,包括清洁度和速度。在注塑过程中,泵送系统在全封闭状态下将两种组分的液体硅橡胶(催化剂和交联剂)直接泵入混合机内进行均化,然后泵入模腔中。在高温下,硅橡胶在模腔中快速实现模塑和硫化(固化)。注射仅需3-10s,模塑和硫化则需要10-90s或更长的时间才能完成,具体根据注射重量和部件的*终厚度而定。LIM采用封闭式流程,可大幅度减少污染。而且,由于采用一步式自动流程,可保证部件质量连续一致,减少差异现象或人为错误。还有其他优点,例如:可减少材料准备所需的人力,降低注射压力,加快周期速度,实现系统全自动。

   与LIM不同的是模压和挤出法耗费较多人力,需要在双辊开炼机中进行单独预混。而且,两种方法必须在低温下进行,因此运行周期更长。由于固化速度缓慢,在生产隔膜、瓶盖、O形密封件和其他产品时,大型模具通常采用100多个模腔。在模压过程中,液压活塞向橡胶施压,使之通过浇口注入模腔。高稠度硅橡胶可通过挤出生产出多种管材和型材(一般来说,液体橡胶不能采用挤出法)。挤出流程开始时,将双组分纯胶料(催化剂和交联剂)在双辊开炼机上混合。共混之后生产出均匀的混合物,然后制成条状连续喂入挤出机中,通过变速螺杆喂料装置在口型处保持合适的压力。挤出后,管件通过热风硫化炉,以热空气或辐射热对产品进行固化。挤出法可生产多种直径的单腔、多腔和共挤软管。硅橡胶还可制成夹具垫圈、密封圈、拉条、标记等型材或非圆形断面板材。条状或不透明材料具有防X射线穿透的特点,能增强产品视觉效果。