可逆變色硅膠材料的制備與性能研究

＊鐘 偉

（萬新（廈門）新材料有限公司 福建 361023）

引言

硅膠材料是一類由硅氧鏈節作為基本結構，側鏈通過硅原子與其他有機基團相連的高分子量聚有機硅氧烷，因為主鏈的Si-O（451kJ/mol）具有較高的鍵能和其他特性，因而具有良好的耐化學穩定性、耐候性和抗老化、收縮率低、脫模性好等性能，在電子電氣、密封材料、隔熱材料、導電材料、吸波材料和化工領域等具有廣泛的應用。但傳統硅膠材料的力學性能，如拉伸強度、斷裂伸長率等常隨著溫度的變化而降低，并且功能單一，很難滿足社會高速發展對硅膠的應用需求[1-2]。

硅膠材料種類繁多，根據硫化機理可分為縮合型與加成型硅膠，而根據硫化溫度則可以分為高溫硫化硅膠與室溫硫化硅膠。而硅膠材料的制備方法也特別多，根據固化方式的不同，主要包括有熱固化、紫外光固化等。隨著社會的不斷發展，生活品質逐步提高，可逆變色硅膠材料因具有變色靈敏、性能穩定、耐溫性好、使用壽命長等優點，是一種具有高附加值和較高技術含量的新型材料，其應用前景廣泛，未來市場潛力巨大[3]。一方面，通過顏色變化指示材料溫度，可廣泛應用于智能制造、智能電網等領域的示溫或報警；另一方面，可逆變色硅膠材料在智能建筑、智能醫療、商標防偽和裝飾用品等領域也有諸多應用。通常，變色材料大致可以通過光致變色、熱致變色、電致變色和溶劑致變色等方式實現[4-5]。但是，在制備變色硅膠材料或其他功能硅膠材料時，往往因添加功能助劑，導致其力學性能降低，如對于導電功能硅膠材料，由于添加了大量的導電性填充物，會使硅膠失去原來的結構，并降低導電硅膠復合材料的機械性能，從而限制其進一步應用[6]。

為了解決這一問題，研究者們正在不斷探索新的制備方法和配方，以提高功能硅膠材料的力學性能。例如，采用先進的納米技術、高分子復合技術等手段，可以在保證功能性（如可逆變色性能）的同時，提高硅膠的力學性能。此外，通過優化硅膠的加工工藝，如采用高溫高壓成型技術等，也可以提高硅膠的力學性能。

本文針對傳統硅膠材料功能單一以及功能改性過程中往往存在破壞力學性能的缺陷，通過在硅膠材料中添加不同含量的可逆變色粉，采用開煉機進行充分混合均勻后，利用硫化儀制備得到可逆變色硅膠材料，通過可逆變色粉含有的活性基團與硅膠的相互作用，探討可逆變色粉的添加量對材料力學性能、硬度等的影響，研究可逆變色硅膠材料的可逆變色性能。

1.實驗部分

(1)主要原料和儀器

可逆變色粉，深圳市千色變新材料科技有限公司；硅膠，萬新（廈門）新材料有限公司；架橋劑雙二五，深圳市豪泰興業科技有限公司；硫化機、開煉機，東莞市世研精密儀器有限公司。

(2)可逆變色硅膠材料的制備

將可逆變色粉按0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%的比例分別加入到硅膠和架橋劑雙二五中得到初步混合物，再在兩輥開煉機中進行充分混合，得到均勻膠料。然后，將混合均勻的膠料放在平板硫化機中，于170℃下硫化8min，得到可逆變色硅膠材料。

(3)性能測試

可逆變色性能測試：將制備的可逆變色硅膠材料分別置于30℃、40℃、50℃的環境中，觀察其顏色變化。

拉伸性能和撕裂強度采用萬能試驗機分別按照GB/T 528—2009和GB/T 529—2008進行測試，拉伸速率為50mm/min，每組樣品至少測量5次，取其平均值。

硬度按照GB/T 531.1—2008測試。

壓縮永久變形測試：壓縮永久變形按GB/T 1683—2018測試。

2.結果與討論

(1)可逆變色硅膠材料的力學性能

材料的力學性能是指材料在外力的作用下抵抗變形和斷裂的宏觀性能，主要指標有剛度、塑性、韌性、強度、硬度和疲勞強度等。本文從拉伸性能、撕裂強度、壓縮永久變形性和硬度等方面，研究可逆變色粉用量對可逆變色硅膠材料力學性能的影響。

①拉伸性能

拉伸試驗可測定材料的強度指標和塑性指標，如拉伸強度和斷裂伸長率等，是表征材料力學性能重要的表征手段之一。圖1是可逆變色硅膠材料老化前后的拉伸強度和斷裂伸長率曲線，從圖1中可以看出，可逆變色硅膠材料老化前后的拉伸強度、斷裂伸長率均隨著可逆變色粉含量的增加呈現先增加后減小的趨勢。當可逆變色粉添加量為0.8%時，達到最大值，拉伸強度為10.6MPa，斷裂伸長率為497.9%，老化后拉伸強度和斷裂伸長率分別為9.9MPa和464.9%，具有良好的力學性能，這主要是因為可逆變色粉含有的活性基團可與硅膠反應，起到增強作用。而隨著含量的進一步增加，拉伸強度和斷裂伸長率降低，主要是由于可逆變色粉在硅膠材料中部分團聚所致[3]。

②撕裂強度

撕裂強度是指撕裂薄型試樣所需的力，它是測定薄膜或薄片耐撕裂性的一個重要的試驗方法。圖2是可逆變色硅膠材料老化前后的撕裂強度，從圖中可以看出，可逆變色硅膠材料的撕裂強度在老化前隨著可逆變色粉的增加同樣呈先增大后減小的趨勢，當可逆變色粉的含量為0.8%時，最大撕裂強度為42.1N/mm。而在老化后，雖然不同可逆變色粉含量的可逆變色硅膠材料的撕裂強度有所降低，但最大值仍保持在40.6N/mm，強度保留率達到96.4%，具有良好的抗撕裂性能。

圖2 可逆變色硅膠材料老化前后的撕裂強度

③壓縮永久變形性

壓縮永久變形性是硅膠材料的一個重要特性，特別是在制作壓縮型硅膠產品時尤為重要。硅膠的壓縮永久變形性是指在施加一定的壓力后，硅膠材料發生的不可逆的形變。圖3是可逆變色硅膠材料老化前后的壓縮永久變形性，從圖3中可以看出，可逆變色硅膠材料的壓縮永久變形較小，尤其是當可逆變色粉的含量為0.8%時，老化前后的壓縮永久變形量分別為10.2%和14.8%，表明該類材料具有較好的回彈能力，抗變形能力越強。

圖3 可逆變色硅膠材料老化前后的壓縮永久變形性

④硬度

硬度是表征材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力，是比較各種材料軟硬的指標。圖4是可逆變色硅膠材料老化前后的硬度，同樣地，可逆變色硅膠材料老化前后都具有較高的硬度，分別達到71.3和70.7，與拉伸性能和撕裂強度具有類似的變化規律，表明添加可逆變色粉制備的可逆變色硅膠材料在老化前后，均具有良好的力學性能，使其能夠應用于對力學性能要求較高的領域，對拓寬該類材料的應用具有重要的意義。

圖4 可逆變色硅膠材料老化前后的硬度

(2)可逆變色硅膠材料的可逆變色

圖5是可逆變色硅膠材料的可逆變色測試結果，可逆變色硅膠材料在30℃時，呈現出樣品本身固有的顏色（綠色），隨著溫度的升高，當達到40℃時，樣品由綠色變為黃綠色，繼續升高至50℃時，變為檸檬黃色，而后隨著溫度降低至30℃時，樣品的顏色又由檸檬黃色變為樣品本身固有的顏色（綠色），并且這種顏色變化是可循環的。這是因為可逆變色粉是一類電子轉移型有機化合物，該類材料是含有特殊化學結構的有機發色體，使其能夠在不同溫度時呈現出特定的顏色，從而賦予可逆變色硅膠材料具有可逆變色的特性，進一步拓寬硅膠的應用范圍。

圖5 可逆變色硅膠材料的可逆變色測試結果

3.結論

本文通過在硅膠中添加不同含量的可逆變色粉，制備了可逆變色硅膠材料，溫度在30～50℃范圍內，能夠實現由綠色到檸檬黃色的可逆變換，當可逆變色粉添加含量為0.8%時，可逆變色硅膠材料的拉伸強度、斷裂伸長率、撕裂強度和硬度均顯著提高，拉伸強度和斷裂伸長率分別為10.6MPa和497.9%，最大撕裂強度為42.1N/mm，壓縮永久變形量為10.2%，硬度最大值為71.3，具有最佳的綜合力學性能。此外，所制備的可逆變色硅膠材料經過老化后，強度和硬度保留率較高（大于95%），仍表現出良好的力學強度，使其能夠在智能材料等領域有著較好的應用前景，拓寬了該類改性硅膠材料的應用范圍。