摘 要

硅橡胶是高分子量的有机硅化合物，具有许多一般橡胶材料所没有的优异性能，如耐高低温性、电气绝缘性、耐臭氧、耐候性、耐辐射性、无毒、高弹性等，因此在航空航天、电子工业、汽车工业、医疗器械、家庭用品等领域得到了广泛应用。但是，硅橡胶的分子间作用力小、极性低、力学性能很差，这极大限制了硅橡胶制品的推广。硅橡胶复合材料是以硅橡胶为基体，加入增强材料（如空心玻璃微珠、纳米二氧化硅、玻璃纤维等），以提高材料的综合性能。

本论文首先采用硅烷偶联剂KH-550（γ-氨丙基三乙氧基硅烷）对空心玻璃微珠和纳米二氧化硅进行表面处理；采用稀硫酸对玻璃纤维布进行表面刻蚀处理，以改变无机增强材料的表面结构、形貌，从而提高其与硅橡胶的界面结合力。对表面处理之后的材料进行扫描测试和红外光谱测试表征，结果发现，选用的处理方式能有效改性增强材料。

接着将空心玻璃微珠、纳米二氧化硅与硅橡胶混合，制备的胶液再和玻璃纤维结合制备硅橡胶复合材料。研究空心玻璃微珠的含量（0%、1%、3%、5%、7%、9%）、纳米二氧化硅的粒径（15nm和30nm）、含量(0%、1%、2%、3%、4%)、玻璃纤维的种类(高硅氧纤维、玻璃纤维布）对硅橡胶复合材料的拉伸强度、导热系数、硬度的影响。结果表明：以高硅氧纤维为增强材料，空心玻璃微珠的含量从0%增加至9%时，材料的拉伸强度降低了21.08%，导热系数降低了16.28%，硬度增加了29.28%。当纳米二氧化硅的添加量为3%，粒径从15nm变为30nm时，材料的拉伸强度降低了7.02%，导热系数增加了2.11%，硬度降低了4.24%。当粒径为15nm的二氧化硅的添加量从0%增加至4%时，材料的拉伸强度升高了48%，导热系数降低了8.37%，硬度升高了23.23%。相比于高硅氧纤维，玻璃纤维布作为增强材料时硅橡胶复合材料的拉伸强度更好，但导热系数较高。

关键词：复合材料，空心玻璃微珠，玻璃纤维，纳米二氧化硅，性能

Abstract

Silicone rubber is a kind of organosilicon compound with high molecular weight，which have many unique natures that other rubbers don’t have.The natures include high and low temperature properties,electrical insulation,ozone resistance,weather resistance,radiation resistance non-toxic and high elasticity ,etc.Thus,silicon rubber is widely used in the field of aviation,electronics,auto industry,medical devices and household goods,etc.However,silicone rubber has weak intermolecular force, low polarity and poor mechanical properties,which severely limit the promotion of silicone rubber products.Silicone rubber composite is based on silicone rubber,add reinforcements(such as hollow glass microsphere(HGM),nano-silicon dioxide,glass fiber)in order to improve the comprehensive properties of materials.

First,the paper modifies the surface of HGM and nano-silicon dioxide with silane coupling agent KH-550,changes the sturface of glass fiber with dilute sulphuric acid.Through the above way,inorganic reinforcements’ surface structure and morphology are changed，so the interfacial adhesion between silicone rubber and reinforcements is improved.Then,by means of SEM and IR,the surface-treated materials are observed.The results show that the selected processing methods can effectively improve reinforcements.

Next,silicone rubber is mixed with HGM and nano-silicon dioxide.Then,the glue combine with glass fiber to prepare silicone rubber composite.By this study,we discuss effects of the contents of HGM(0%、1%、3%、5%、7%、9%),the particle size(15nm and 30nm) and contents (0%、1%、2%、3%、4%)of nano-silicon dioxide ,the types of glass fiber(high silica glass fiber and glass fiber cloth)on the properities of silicone rubber composite,such as tensile strength，thermal conductivity and hardness.The sesults show that when high silica fiber is used as reinforcement,with the content of HGM increasing from 0% to 9%, silicone rubber composite’s tensile strength decreases by 21.08%, thermal conductivity decreases by 16.28%,and hardness increases by 29.28%.When the content of nano-silicon dioxide is 3%,with the particle size of nano-silicon dioxide increasing from 15nm to 30nm,silicone rubber composite’s tensile strength decreases by 7.02%,thermal conductivity increases by 2.11%,and hardness decreases 4.24%.When the content of nano-silicon dioxide whose particle size is 15nm increasing from 0% to 4%,silicone rubber composite’s tensile strength increases by 48%, thermal conductivity decreases by 8.37%,and hardness increases by 23.23%.Compared with high silica glass fiber,glass fiber cloth as reinforcement can better imporve silicone rubber composite’s tensile strength.However,glass fiber cloth is unfavorable to the reduction of thermal conductivity.

Key Words: Silicone rubber;Composite marerials; Hollow glass microsphere;Glass fiber;Nano-silicon;Properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 硅橡胶的性能、应用 1

1.3 改性材料的性能、应用、表面处理方法 3

1.3.1 空心玻璃微珠的性能、应用、表面处理方法 3

1.3.2 纳米二氧化硅的性能、应用、表面处理方法 5

1.3.3 玻璃纤维的性能、应用、表面处理方法 7

1.4 研究内容 9

第2章 改性材料的表面处理及性能研究 10

2.1 前言 10

2.2 空心玻璃微珠的表面处理 11

2.2.1 实验原料与仪器 11

2.2.2 制备工艺流程 11

2.3 纳米二氧化硅的表面处理 11

2.3.1 实验原料与仪器 11

2.3.2 制备工艺流程 12

2.4 玻璃纤维的表面处理 12

2.4.1 实验原料与仪器 12

2.4.2 制备工艺流程 12

2.5 改性材料的性能研究 13

2.5.1 空心玻璃微珠的扫描测试表征 13

2.5.2 空心玻璃微珠的红外光谱测试表征 13

2.6 本章结论 14

第3章 硅橡胶复合材料的制备及性能研究 15

3.1 前言 15

3.1 硅橡胶复合材料的制备 15

3.2.1 实验原料及仪器 15

3.2.2 制备工艺流程 15

3.3 硅橡胶复合材料的表征方法 16

3.3.1 拉伸强度测试表征 16

3.3.2 导热系数测试表征 17

3.3.3 硬度测试表征 17

3.4 硅橡胶复合材料的测试结果分析 17

3.4.1 拉伸强度测试结果分析 17

3.4.2 导热系数测试结果分析 18

3.4.3 硬度测试结果分析 20

3.5 本章结论 21

第4章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 23

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

随着科学技术的迅猛发展和生产力水平的显著提高，单一组分的材料已经很难满足使用要求，多功能一体化的复合材料应运而生。复合材料作为现今社会的热门材料，相比于传统材料而言具有更优异的综合性能，从而被广泛应用于汽车制造、航空航天、能源开采、轮船制造、医疗卫生等多个领域，极大地推动了相关产业的发展。

硅橡胶复合材料是以硅橡胶为基体，通过加入增强材料（如空心玻璃微珠、纳米二氧化硅、玻璃纤维等），使得材料兼备有机材料和无机材料的特性，并且通过复合效应，实现性能的互补和优化。硅橡胶复合材料的性能不仅由基体与增强材料决定，复合材料的界面形成过程，界面粘合效果，界面的应力传递途径以及界面的性质对材料的性能都有很大的影响^[1]。因此，要制备出力学性能优异、电绝缘性能优良、隔热防热效果良好的硅橡胶复合材料，就必须使无机填料和有机聚合物之间的相容性好，两相之间粘结紧密，均匀，形成良好的界面层。然而，极性差别较大的无机填料和有机聚合物相容性很差。并且有机聚合物的粘度很大，导致无机填料很难在有机聚合物之间均匀分散，界面粘结不良。为了解决这个问题，必须对无机填料进行表面处理。针对不同的增强材料，要根据其化学组成和结构特点，选择合理的表面处理方式。

1.2 硅橡胶的性能、应用

硅橡胶是含Si-O键的链状的有机高分子弹性体，主链由硅，氧原子经化学键连接交替排列而成。Si-O键的键能相比于C-C键要高得多，因此，硅橡胶相比于其他碳链高分子具有更高的热稳定性和机械强度。硅橡胶的分子构型呈螺旋状，分子链有较大的柔性，分子间作用力较小，因此具有高弹性。同时，在侧基上引入不同的基团，如苯基、乙烯基、环氧基等，可以使硅橡胶具有良好的耐辐射性、耐高低温性、耐油和耐电弧性^[2]。

改性后的硅橡胶具有良好的力学性能、电气绝缘性能，耐老化性，耐高低温性等物理化学性能，广泛应用于电子工业、航天航空、医学、汽车工业等领域。