室温硫化硅橡胶泡沫包装材料的制备与性能研究

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硅橡胶泡沫材料(SF)集硅橡胶的属性与泡沫材料的特性于一体,具有质轻、耐高低温和生物形容性等性能。目前,SF材料多采用高温硫化(HTV)的方法制备,但该方法存在污染环境、制品尺寸不稳定等局限性。因此,本文采用室温硫化(RTV)的技术路线制备SF。首先,从配方设计和成型工艺入手,制备系列RTVSF材料,并采用扫描电镜(SEM)对其泡孔结构进行深入观察,研究泡孔结构的形成与影响机制。同时采用电子万能试验机、动态热机械分析仪、热失重分析仪研究RTVSF材料的性能,构建结构-性能关系。其次,以商业化泡沫聚乙烯(EPE)和泡沫聚苯乙烯(EPS)材料为比较对象,研究RTVSF材料的静态、动态缓冲性能和疲劳性能,评价其在包装领域的应用前景。最后,以高脚玻璃杯为包装对象,通过ABAQUS有限元跌落仿真分析和实验研究,综合评价RTVSF材料的包装性能。具体研究过程如下:以含氢硅油(PMHS)、α,ω-二乙烯基聚二甲基硅氧烷(Vi-PDMS)、α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷(Hy-PDMS)、白炭黑(SiO2)、空心玻璃微珠、碳酸钙、硅微粉、石墨烯为原料,制备了系列RTVSF材料。SEM研究结果表明:材料泡孔数量随PMHS用量的增加而增多,但其受Vi-PDMS和Hy-PDMS的用量比例影响较小;SiO2对泡孔的形成具有成核作用。RTVSF材料交联密度和拉伸强度随PMHS用量或Vi-PDMS和Hy-PDMS比例的增加而提高,压缩永久变形随其增加而减小;SiO2具有较好的补强作用,RTVSF/SiO2复合材料的拉伸强度达到259.3 k Pa。当PMHS用量为8 wt%、Vi-PDMS为54.2 wt%、Hy-PDMS为45 wt%、SiO2为6 wt%、熟化温度为160℃和熟化时间为2 h时,RTVSF材料的综合性能最优,拉伸强度达到最大值(399.3 k Pa),压缩永久变形达到最小值(1%)。以EPE和EPS材料为比较对象,进一步研究RTVSF的缓冲性能。研究发现,三种材料在压缩过程中均经历了弹性变形、屈服吸能和压实后应力急剧上升三个阶段。EPS和EPE材料的静态缓冲系数均随应变的增加逐渐减小。RTVSF材料的静态缓冲系数先减小后增加,缓冲系数极小值为4.19。RTVSF的最大加速度、动态缓冲系数介于EPS和EPE之间,动态缓冲系数极小值为4.2,其缓冲效率优于EPE材料。采用动态疲劳测试可模拟材料在运输过程中的动态冲击过程。研究发现,RTVSF材料疲劳前后的泡孔形态和泡孔直径变化较小,表明疲劳过程对其泡孔结构影响较小。EPE疲劳后出现泡孔变形和坍塌现象,泡孔壁出现严重褶皱。EPS疲劳后泡孔被挤压变形和部分压塌。RTVSF材料的疲劳次数可达到600万次,远高于EPE的疲劳次数(28万次)和EPS的疲劳次数(2000次);RTVSF材料疲劳后高度保持率达到99.8%,而EPE和EPS材料分别为54.5%和74.5%;此外,对比EPE和EPS材料,RTVSF材料疲劳后缓冲系数变化较小。采用ABAQUS软件对RTVSF包装的玻璃杯进行跌落仿真分析和试验研究,发现RTVSF厚度为8 mm时不仅可保护玻璃杯不被破坏,同时不造成材料和功能浪费。最大应力发生在底面角跌落,应力值达56.5 MPa,低于许用应力。RTVSF包装玻璃杯的跌落试验与有限元仿真分析结果一致,RTVSF能保护玻璃杯在跌落过程中不被损坏。同等厚度的EPS材料包装玻璃杯,在底面角和棱跌落后,玻璃杯发生损坏,RTVSF比EPS具有更优的保护能力。RTVSF材料具备作为包装缓冲材料的优异性能,并具有减量、安全的特点,同时具备耐高低温、可重复使用、无毒无害、快速因地制宜的工艺等不可替代的优点,可广泛用于精密仪器、电子产品和易碎商品的包装材料。
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