环氧树脂和玻璃纤维在RTV模塑料中的应用性能研究

       前言
       天然石材资源是不可再生的，无法满足日益增长的客户需求。公共装饰领域逐渐需要采用人造文化石来替代天然石材。人造文化石由浮石、陶瓷、硅钙等材料经过精细加工制成，具有轻质、丰富的色彩、防霉、耐火、抗熔化和易安装等特点。
       通常，生产人造文化石使用塑料或硅橡胶模具。为了克服人造文化石生产过程中可能出现的缺陷和问题，
       采用室温硫化硅橡胶(RTV)作为主要材料，具有细腻质地、高热稳定性、无毒、易成型和高生产效率的特点。
       然而RTV复合材料在模具生命周期内存在一些问题，如高温收缩、多次使用后的边角偏差明显、低强度和高成本等。为了解决这些问题，采用了多种方法，例如使用热塑性弹性体(如聚氨酯、ABS等)替代硅橡胶，或在RTV基体中添加聚合物或无机填料来改善复合材料的性能。


       环氧树脂(EP)是一种含有两个或多个环氧基团的有机分子，具有固化收缩小、出色的附着力、化学稳定性、耐高温、良好的力学性能和加工性能等特点。它在航空航天工业、电子、机械、模具等领域得到广泛应用。
       玻璃纤维(GF)是一种优良的无机非金属材料，主要由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁和氧化钠等组成。
       它具有良好的绝缘性、耐热性、耐腐蚀性和高机械强度。作为增强填料，它广泛用于各种热塑性树脂和橡胶中，能够提高它们的拉伸强度、耐热性并降低收缩率。
       为了克服RTV模具的缺点，人们制造了有机/无机杂化聚合物，并开发了新型复合材料。
       使用EP和/或GF作为RTV的改性剂，
       以克服这些问题，并创造新型的聚合物材料，是可行的。


       一、拉伸性能
       根据下图所示，EP、GF或MGF的质量分数对RTV复合材料的拉伸性能产生影响。纯RTV基体具有一定的拉伸强度和断裂伸长率，分别为3.2MPa和930%。
       这是由于添加了一定量的二氧化硅。当EP的添加量为5份时，RTV复合材料的拉伸强度达到最大值，为4.2MPa，相比纯RTV提高了约31%。


       在添加了3phr的EP后，断裂伸长率增加。这种增加的主要原因可能是由于在硅橡胶中引入了具有反应性基团如环氧基和羟基的物质，从而促进了共混物中化学或物理键的形成。
       随着EP进一步添加，相分离现象发生，导致拉伸性能逐渐下降。相分离可能是由不均匀分布的交联点和相应的应力不均匀分布所导致的。
       比如RTV/EP-5的断裂伸长率降至810%，低于纯RTV的断裂伸长率。综合考虑这些拉伸性能，RTV/EP-3表现出最佳的拉伸性能。


       在RTV/EP-3中添加GF或MGF后，观察到拉伸强度和断裂伸长率均有所提高。特别是RTV/EP-3/MGF显示出更好的拉伸性能。
       与纯RTV相比，RTV/EP-3/MGF-3的拉伸强度提高到5.5MPa，断裂伸长率提高到1350%，分别比纯RTV提高了71%和45%，比RTV/EP-3提高了30%和42%。这种改善的主要原因可能是由于水解硅烷偶联剂对GF表面的处理。


       硅烷偶联剂中的羟基可以附着在GF上，并与RTV组分中剩余的氢基团发生反应，形成硅氧键。
       这可以改善聚合物基体与玻璃纤维之间的界面相互作用，从而提高共混物的力学性能。随着MGF用量的增加，可能会出现填料的团聚现象，从而降低力学性能。


       下图展示了不同RTV复合材料的撕裂强度情况。纯RTV的撕裂强度为21kN/m。加入EP后，撕裂强度呈现出先增加后减小的趋势。
       这可能是由于RTV基体中的相互作用和相应的网络结构所导致。随着EP的质量分数增加，发生相分离现象，从而降低了撕裂强度。
       当加入GF或MGF时，撕裂强度显示出增加的趋势。RTV/EP-3/MGF-1的撕裂强度达到32kN/m，相比纯RTV和RTV/EP-3分别提高了约52%和23%。
       这种增强的原因可能是由于有机玻璃纤维与聚合物基体之间的表面结合效应。随着MGF颗粒数量的增加，形成了MGF的聚集体，可能会降低这些复合材料的撕裂强度。


       根据下图所示，不同RTV复合材料的硬度有所变化。纯RTV的硬度为24.5，而加入EP后硬度减小。这是因为RTV和EP之间的相互作用提高了弹性，从而降低了硬度。
       在RTV/EP-3/GF复合材料中，
       由于填料的无机特性，添加GF后硬度显著提高。相比之下，RTV/EP-3/MGF复合材料的硬度略有降低。
       在RTV/EP-3/MGF复合材料中，RTV、EP和硅烷偶联剂可能与MGF表面发生反应，这可能会影响复合材料的结构和硬度。


       二、热机械分析
       图中提供了不同RTV复合材料在不同温度下的COLE和COVE数据。在低温范围（40°C至约110°C），纯室温硫化模橡胶的尺寸稳定性变化不大。
       纯RTV的COLE和COVE分别在1.28×10-4至1.25×10-3和4.91×10-3至3.75×10-2之间。
       随着温度从110°C升高到170°C，室温硫化模橡胶发生热膨胀，尺寸略微增加。
       当温度超过170°C时，硅橡胶软化和收缩，COLE和COVE开始下降。


       添加3phr的EP后，RTV模具的尺寸稳定性有所改善。RTV/EP-3的COLE和COVE在0.99×10-4至1.18×10-3K-1和4.52×10-3至3.51×10-2K-1之间，相比纯RTV更低。
       在温度升高至170°C之前，其COLE和COVE迅速增加。当温度超过170°C时，模具橡胶开始软化，导致热膨胀系数略微下降。
       RTV/EP复合材料的首次收缩和软化温度均有所提高，这可能是由于RTV和EP分子链之间的Si-O键反应引起的。这有助于提高复合材料的尺寸稳定性。


       在EP改性的RTV复合材料中添加3phr的GF或MGF，它们展现出更好的尺寸稳定性。在RTV/EP-3/MGF-3复合材料中，尺寸稳定性明显提高，特别是在40°C至110°C的温度范围内。
       该复合材料的COLE和COVE降低至0.38×10-4至1.50×10-4K-1和7.92×10-4至9.56×10-4K-1。
       这种改善主要归因于填料的无机成分，并且它们本身具有良好的尺寸稳定性。
       当它们添加到混合物中时，显示出更好的尺寸稳定性。随着温度的继续升高，这些复合材料呈现出先溶胀后软化的趋势。


       三、热稳定性分析
       下图展示了不同RTV复合材料的热重（TG）曲线。总体而言，与纯RTV相比，RTV复合材料具有更高的热稳定性。
       下表列出了五个参数：T5%、T10%、Tmax、T