Dải cao su silicon đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm ô tô, điện tử, nấu ăn, y tế và hàng không vũ trụ, do khả năng chịu được nhiệt độ khắc nghiệt mà không bị phân hủy. Được tạo thành từ silicon, oxy, carbon và hydro, vật liệu này nổi tiếng về tính linh hoạt, khả năng chịu nhiệt và cách điện, hoạt động hiệu quả trong khoảng từ −55 đến 300 °C (−70 đến 570 °F). Việc kết hợp các hạt nano như TiO2, graphene và ống nano carbon càng làm tăng thêm độ bền và khả năng chịu nhiệt của cao su silicon. Các nhà khoa học thường sử dụng Phân tích trọng lượng nhiệt (TGA) để đánh giá độ ổn định nhiệt của vật liệu.
Sự phân hủy nhiệt của cao su silicon rất phức tạp và khả năng chịu nhiệt của nó bị ảnh hưởng bởi các quy trình sản xuất và lưu hóa. Các phương pháp lưu hóa, bao gồm lưu hóa ngưng tụ, lưu hóa bổ sung và lưu hóa peroxide, mỗi phương pháp đều tác động khác nhau đến độ ổn định của sản phẩm cuối cùng. Mặc dù chi phí cao hơn của cao su silicon và các mối nguy tiềm ẩn của một số chất phụ gia, nhưng các đặc tính độc đáo của nó—đặc biệt là khả năng chịu nhiệt và độ bền—làm cho nó trở nên không thể thiếu đối với các ứng dụng chịu ứng suất cao, nhiệt độ cao. Nghiên cứu đang được tiến hành nhằm mục đích cải tiến hơn nữa vật liệu cho các mục đích sử dụng tiên tiến.
Phương pháp kiểm tra độ ổn định nhiệt
Nhiều phương pháp thử nghiệm khác nhau được sử dụng để đánh giá độ ổn định nhiệt của cao su silicon, giúp các nhà khoa học hiểu được vật liệu này hoạt động như thế nào trong các điều kiện nhiệt khác nhau.
Phân tích cơ học động (DMA)
DMA đánh giá cách cao su silicon biến dạng và trở lại hình dạng ban đầu dưới nhiệt độ thay đổi. Thử nghiệm đo các đặc tính như mô đun đàn hồi, mô đun nhớt và hệ số giảm chấn trong phạm vi nhiệt độ từ -150 đến +150°C, sử dụng các mẫu mỏng.
Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)
TGA đo sự phân hủy nhiệt của cao su silicon bằng cách tăng dần nhiệt độ và ghi lại lượng trọng lượng mất đi. Được tiến hành trong môi trường được kiểm soát, chẳng hạn như khí quyển khí argon, các thử nghiệm TGA xác định nhiệt độ mà cao su bị phân hủy và lượng vật liệu còn lại sau đó. Thông thường, cao su silicon trải qua quá trình phân hủy theo ba giai đoạn riêng biệt.
Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
Phổ FTIR phân tích cấu trúc hóa học của cao su silicon, đặc biệt là khi có phụ gia. Thử nghiệm này phát hiện những thay đổi trong vật liệu bằng cách kiểm tra các đỉnh cụ thể trong quang phổ hồng ngoại, tương ứng với các liên kết hóa học khác nhau. Nó có thể tiết lộ cách phụ gia ảnh hưởng đến cấu trúc hóa học của cao su silicon.
Phân tích TGA-FTIR
TGA-FTIR kết hợp phân tích nhiệt của TGA với phân tích hóa học của FTIR để xác định các khí thoát ra trong quá trình phân hủy nhiệt của cao su silicon. Kỹ thuật này cung cấp hiểu biết chi tiết về hành vi của vật liệu ở nhiệt độ cao bằng cách xác định chính xác các hợp chất hóa học hình thành trong quá trình phân hủy.
Chất đóng rắn và tác động của chúng lên độ ổn định nhiệt
Chất đóng rắn đóng vai trò quan trọng trong việc làm cứng cao su silicon và tăng độ bền của nó. Việc lựa chọn phương pháp đóng rắn—đóng rắn ngưng tụ, đóng rắn bổ sung hoặc đóng rắn peroxide—ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định nhiệt của sản phẩm cuối cùng.
Ngưng tụ chữa bệnh
Phương pháp ngưng tụ, dựa vào độ ẩm để làm cứng cao su, khá đơn giản nhưng có thể không mang lại khả năng chịu nhiệt cao nhất.
Thêm vào quá trình bảo dưỡng
Quá trình lưu hóa bổ sung tạo ra cao su có độ tinh khiết cao và chịu nhiệt, thích hợp cho các ứng dụng thực phẩm và y tế vì không tạo ra sản phẩm phụ.
Bảo dưỡng bằng Peroxide
Quá trình lưu hóa bằng peroxide sử dụng nhiệt để làm cứng cao su, tạo ra vật liệu bền và chịu nhiệt. Tuy nhiên, nó có thể để lại các sản phẩm phụ không phù hợp với một số ứng dụng nhất định.
Ứng dụng của dải cao su silicon ổn định nhiệt
Dải cao su silicon có độ ổn định nhiệt cao được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau:
ô tô
Được sử dụng trong phớt, miếng đệm và ống mềm phải chịu được nhiệt độ cao bên trong động cơ.
Thiết bị điện tử
Có tác dụng cách điện và bảo vệ các linh kiện điện tử khỏi nhiệt độ cao.
Dụng cụ nấu ăn và nướng bánh
Được sử dụng trong các dụng cụ nhà bếp như thìa và thảm nướng tiếp xúc với nhiệt độ nấu cao. Những dải này đáng tin cậy trong điều kiện khắc nghiệt, khiến chúng trở nên thiết yếu cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.
Sản phẩm y tế
Dải cao su silicon được đánh giá cao vì tính an toàn và khả năng chịu nhiệt độ cao. Chúng được sử dụng trong ống, thành phần ống tiêm, thiết bị quản lý chất lỏng và cấy ghép. Độ ổn định nhiệt của chúng cho phép chúng được khử trùng mà không bị phân hủy, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các môi trường y tế đầy thách thức. Độ bền và tính linh hoạt của các dải này cũng rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất lâu dài của các thiết bị y tế và cấy ghép.
Hàng không vũ trụ
Dải cao su silicon được thiết kế để chịu được nhiệt độ từ −70 đến 220 °C. Những dải này được sử dụng trong gioăng cho cửa sổ máy bay và cửa cabin, đảm bảo độ kín khít và giảm tiếng ồn và độ rung. Chúng cũng bảo vệ thiết bị khỏi những rung động không mong muốn, góp phần vào sự an toàn và thoải mái chung của chuyến bay. Khả năng chịu được những biến động nhiệt độ khắc nghiệt của chúng khiến chúng trở nên không thể thiếu trong ngành hàng không vũ trụ.
Nghiên cứu và phát triển gần đây
Những tiến bộ gần đây trong cao su silicon tập trung vào việc tăng cường các đặc tính của nó cho các ứng dụng y tế. Các nhà nghiên cứu đã cải thiện thành công độ ổn định nhiệt, độ linh hoạt và độ bền cơ học của nó bằng cách kết hợp các hạt nano và sợi. Ví dụ:
- Kiểm tra cơ học:Nghiên cứu chỉ ra rằng việc bổ sung một số vật liệu nhất định có thể làm tăng đáng kể độ bền và độ cứng của cao su silicon.
- Ổn định nhiệt:Các nghiên cứu sử dụng TGA đã chỉ ra rằng cao su silicon có thêm chất độn có khả năng chịu nhiệt tốt hơn và tốc độ phân hủy thấp hơn.
- Công thức cải tiến:Các loại nhựa silicon mới có nhóm hóa chất chuyên biệt đã được phát triển, mang lại khả năng liên kết chéo và độ ổn định nhiệt được cải thiện.
Những cải tiến này đang khiến cao su silicon trở thành lựa chọn ngày càng hấp dẫn để sử dụng trong cấy ghép y tế và các ứng dụng đòi hỏi khắt khe khác, nơi hiệu suất lâu dài là điều cần thiết.
