硅酮膠在工業領域的應用研究

韋遠怡 陳炳耀 彭小琴 全文高 潘聰

摘 要：硅酮膠產品作為一種被各行各業廣泛使用的膠粘劑，已經得到了市場的認可。文章主要介紹了硅酮膠的發展概況、特點和主要成分，并對工業用硅酮膠的應用作出分析，并展望硅酮膠的發展前景。

關鍵詞：硅酮膠;密封膠;粘接;固化原理

中圖分類號：TQ436+.6 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）06-0021-04

Abstract：Silicone adhesive products as a widely used adhesive in all walks of life， has been recognized by the market.In this paper， the development situation， characteristics and main components of silicone rubber are introduced， and the application of industrial silicone rubber is analyzed， and the development prospect of silicone rubber is forecasted.

Key words：silicone adhesive; sealant; bonding; curing principle

0 引言

隨著國民經濟的發展，人民對美好生活的需求日益增長，各行各業也蓬勃發展，各式各樣的產品不斷地改善人民的生活質量。從日用小型家用電器到超高層幕墻建筑，隨處可見硅酮膠粘劑的身影。其中，硅酮類膠粘劑與有機膠粘劑對比，有著許多優異的特性，如耐高低溫性，高電絕緣性以及耐候性[1]。如今，硅酮膠行業的競爭激烈，如何開發出更適合市場的硅酮膠產品成為研究開發者關注的重點。

1 硅酮膠的發展概況

硅酮膠，又稱有機硅建筑密封膠，顧名思義，硅酮膠的研發初衷是為了解決建筑密封領域中的問題。硅酮膠的固化原理是通過借助空氣中的水汽，在一定的溫度下，由表及里逐步固化，并釋放出小分子化合物，從而形成一個三維網狀結構的彈性體。因此硅酮膠使用十分方便。硅酮膠具有許多優異的特性，在現代建筑領域內已經發展為重要的密封材料。

在20世紀50年代初，歐美發達國家已經在建筑領域內使用雙組分硅酮膠，60年代初單組分硅酮膠已商業化。國外的硅酮膠在長時間的發展中，已經形成了完整的生產鏈，實現大規模連續生產。而國內的硅酮膠研發工作最初是為了服務于國防，如導彈衛星和尖端武器等。20世紀90年代初，因制造業在我國發展十分迅猛，硅酮膠的應用需求激增，我國硅酮膠的開發速度明顯加快，實現了酸性硅酮膠的大批量國產化[2]，極大地推動了我國硅酮膠的發展。經過幾代人50多年的共同努力，中國的有機硅工業現已初具規模，為今后的進一步發展奠定了堅實的基礎。硅酮膠的主要作用是密封，但經過研究和開發，硅酮結構膠進入人們的視野，結構膠不僅擁有普通硅酮膠擁有的優異性能，而且對強度有一定的要求。廣州中信廣場、深圳地王大廈、上海金茂大廈均使用了進口硅酮結構膠產品。國產硅酮膠結構膠經過持續發展，在20世紀90年年代末開始應用到廣州新白云國際機場、廣州會展中心等超大型幕墻，并且有大量產品出口國外。這充分體現了我國硅酮膠這一技術產品的行業地位。近年來，國內硅酮膠企業不斷進行自主創新，提高生產效率的同時保證產品質量。我國有機硅工業的巨大進步，打破了國外公司對中國的技術封鎖和市場壟斷，加快了中國邁向世界有機硅生產大國和強國的步伐。

2 工業用硅酮膠的特點及主要成分

單組分室溫硫化硅橡膠主要由基礎化合物、交聯劑、偶聯劑這3種必須成分，以及催化劑、補強填料、添加劑等幾種不可缺少的成分配制而成?；A聚合物α，ω-二羥基聚二甲基硅氧烷是制備縮合型單組分室溫硫化硅橡膠最重要的基礎聚合物。而交聯劑是單組分室溫硫化硅橡膠的核心組分，對產品的交聯機理和分類命名起決定性作用。目前主要的交聯劑品種和縮合反應產物如表 1所示[3]。

室溫硫化硅酮膠按照其產品形態，可分為單組分型和雙組份型。按照硫化機理，單組分硅酮膠可分為脫醋酸型、脫醇型、脫酮肟型、脫丙酮型、脫酰胺型、脫胺型;雙組份硅酮膠可分為脫醇型、脫氫型、脫水型、脫羧胺型、加成反應交聯型。

硅酮膠又稱室溫硫化硅酮密封膠，這是一種新型的有機硅彈性體，硅酮膠的固化原理是借助空氣中的水汽，在一定的溫度下，由表及里逐步固化，并釋放出小分子化合物，從而交聯形成一個三維網狀結構的彈性體。如圖1所示，單組分硅酮膠在制膠過程中，主要發生硫化反應，在催化劑作用下，交聯劑甲基三甲氧基硅烷與107膠發生脫醇反應，生成聚硅氧烷。

常見的硅酮膠包裝為鋁膜軟包裝和PE膠瓶與PE底蓋的組合硬包裝，如圖 2所示，硅酮膠在使用時，通過膠槍擠出至施工區域后，被擠出的聚硅氧烷與空氣中的水汽發生反應，逐步交聯為三維網狀結構的彈性體。

3 工業用硅酮膠的基本用途

由于單組分室溫硫化硅橡膠已經預混并密封包裝，因此使用時只需要把膠漿擠出，等待其完全固化，即可完成施工。

為了獲得良好的使用效果，使用者需根據硅酮膠的施工對象，提前清潔基材表面的污物及油污，若基材表面需涂底涂劑，則需等待底涂干燥后方可打膠，大多數底涂劑可提高硅酮膠的粘接性，施工前應小范圍地進行相容性測試。

3.1 門窗玻璃的粘接。

門窗玻璃的粘接主要使用非結構性硅酮膠，硅酮密封膠的基礎化合物由硅氧鍵組成，與C-C、C-O、C-N鍵的鍵能相比，Si-O的鍵能最高，為444kJ·mol-1，如此高的鍵能決定了硅酮膠良好的性能，因此硅酮膠被廣泛地運用到受紫外線照射的門窗玻璃粘接中[4]。隨著建筑行業的發展，人們對建筑裝飾材料更加注重美觀和實用性，因此在門窗領域，陽極氧化鋁合金材質的邊框搭配玻璃收到市場的歡迎，也就是大眾口中的“鋁合金窗”。在鋁合金窗剛興起時，用于粘接的是酸性硅酮膠，因酸性硅酮膠的固化速度快，因此酸膠是當時粘接門窗的主流產品，但是許多廠商為降低成本，在酸性硅酮膠中加入廉價的聚烯烴類化合物（俗稱白油），因此在使用一段時間后，會出現滲油，影響美觀的同時，密封膠容易脫落。同時，由于酸膠在使用時氣味較大，加之門窗的的升級，鋁合金門窗在高檔裝修中應用得越來越少，隨之酸膠的熱度也不如從前一般。

隨著經濟的不斷發展，人們對于裝修材料更加注重美觀和環保。目前較為流行的門窗是節約型的塑料高分子邊框門窗和升級版彩色鋁合金門窗。塑料門窗通常采用密封膠條進行密封因硅酮膠優異的特性，彩色鋁合金則更推薦使用硅酮膠作為粘接材料，但若使用酸膠，則硅酮膠容易對鋁合金基材有腐蝕作用。在大多數情況下，面對彩色鋁合金門窗的粘接，更加推薦使用不含白油的中性硅酮膠，而中性硅酮膠中，酮肟型和醇型膠使用較為普遍。脫酮肟型硅酮膠固化速度比醇型膠快，綜合性能佳，儲存穩定性好，基本無腐蝕性。脫醇型硅酮膠氣味較小、相對環保，對基材無腐蝕性，但儲存穩定性差。因此中性硅酮膠更受用戶的喜愛。

3.2 玻璃幕墻的粘接密封

放眼全球，各大城市的高層建筑大多使用玻璃幕墻，早在20世紀中期，美國紐約就開始使用玻璃幕墻，我國的眾多城市的CBD如廣州珠江新城、上海外灘、深圳中央商務區等都大規模地使用大型玻璃幕墻。因硅酮膠具有的優異性能，因此硅酮膠成為玻璃幕墻的主要粘接材料。根據《玻璃幕墻工程技術規范》中的明確規定，硅酮密封膠建議被使用在玻璃幕墻，孫與康[5]在碩士研究生在讀期間，曾對幕墻用硅酮膠作深入研究。王躍林[2]對于硅酮結構膠的強度和老化性能以及粘接強度作出簡要分析。GB16776-2005中規定，硅酮結構膠的物理力學性能拉伸粘接強度在23℃時應大于等于0.6MPa，90℃、-30℃、浸水后、水-紫外線光照后應大于等于0.45MPa，23℃時的最大拉伸強度時伸長率應大于100%。目前市面上主流的幾種結構膠的實測強度均大于國標要求，因此可以說明，硅酮結構膠非常適用于大型幕墻的結構性粘接，同時兼顧幕墻的美觀及質量。

3.3 零件的粘接

在各式各樣的零件如發動機、變速箱、法蘭件等，都需要密封其密封性的好壞直接決定了零件是否能正常使用。傳統常常使用橡膠墊、石棉墊、軟木墊和紙墊作為密封材料，但是采用上述傳統密封圈很難保證零件在裝配完成后不發生密封失效，為了解決傳統密封圈的問題，免墊片膠受到市場的歡迎。免墊片膠是一種新型的室溫硫化硅酮密封膠，其最大的特點是可以不受接合面形狀和面積的限制，從而對零件進行密封，并且可以降低零件的加工精度。零件的使用場景一般溫度較高以及表面常有油漬附著，因此對免墊片膠的要求必須為耐高溫性好，耐油性佳等。不同于普通建筑用硅酮膠，免墊片膠通常采用特殊的硅樹脂、助劑和填料，因此其耐油性和耐高溫性優于普通建筑用硅酮密封膠。免墊片膠在使用前僅需對零件表面清潔，再根據所需密封零件的形狀，用免墊片膠進行均勻施膠，清除多余膠漿后，再安裝所需要密封的零件即可等待膠漿完全固化。

3.4 電子元器件的灌封粘接

有機硅產品擁有的耐高低溫、耐氣候老化、電絕緣性有助于硅酮膠在電子電器領域中的廣泛應用。在日本，電子用膠品種繁多，性能要求嚴格，附加值較高，在膠粘劑行業中具有非常重要的地位。在電子電器領域中，往往要求膠粘劑對電器元件無腐蝕，因此脫醇型硅酮膠十分適用于該行業。改革開放以來，電子電器走向千家萬戶，行業發展前景巨大，行業的發展給電子電器用硅酮膠提出了更高的要求。電子硅酮膠通常用于電子原件的涂敷保護、模塊薄層的灌封、電子元件的粘接密封固定、燈飾的粘接密封、光伏組件的密封等多種用途[6]。電子硅酮膠通常對于粘度、稠度、阻燃性、腐蝕性有一定的要求，而單組分脫醇型硅酮密封膠的特點是強度高、對多種金屬無腐蝕性，十分適用于電子元器件的粘接密封。曹元來[7]等人曾以107膠為基膠，添加阻燃劑，研制出了無鹵素自流平阻燃電子硅酮膠，得到了行業的認可。

4 結語

從我國從20世紀90年代初，硅酮膠全部依賴進口大桶膠，到如今全國有許多生產商具有硅酮膠的自主研發能力，硅酮膠行業內進入高速發展期。隨著社會的進步與發展，大型玻璃幕墻的普及和使用，汽車人均占有率不斷提高，工業的發展進步，硅酮膠銷量將不斷創新高，從總體上看，低端硅酮膠將不斷地被市場淘汰，取而代之的是更加符合環保要求的，高質量高性價比的高端硅酮膠產品。因此工業用硅酮膠的發展前景好。

參考文獻

[1]李健民.電子/電氣工業用硅酮膠粘劑[J].粘接，2004（06）：45-46+50.

[2]王躍林，李向濤.國內外硅酮建筑密封膠發展概況[J].廣東建材，1997（06）：35-41.

[3]幸松民，王一璐.有機硅合成工藝及產品應用[M].北京：化學工業出版社，2000.

[4]邱澤皓，袁素蘭，王有治，等.硅酮密封膠在門窗上的應用探討[A].中國建筑金屬結構協會鋁門窗幕墻委員會.2008年全國鋁門窗幕墻行業年會論文集[C].中國建筑金屬結構協會鋁門窗幕墻委員會：中國建筑金屬結構協會，2008：5.

[5]孫與康.玻璃幕墻用硅酮膠耐候性及現場檢測技術的研究[D].中國建筑材料科學研究總院，2018.

[6]李健民.日本電子工業用膠概況[J].粘接，2004（06）：47-50.

[7]曹云來，章明耀，方玨.無鹵素自流平阻燃電子硅酮膠的研制[J].中國膠粘劑，2007（06）：30-32.