ยางซิลิโคนหมายถึงยางชนิดหนึ่งซึ่งมีสายโซ่หลักประกอบด้วยอะตอมของซิลิคอนและออกซิเจนสลับกัน โดยอะตอมของซิลิคอนมักจะถูกพันธะกับกลุ่มอินทรีย์สองกลุ่ม ยางซิลิโคนธรรมดาส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนต่อประสานไซลอกเซนที่มีหมู่เมทิลและหมู่ไวนิลจำนวนเล็กน้อย
การเสื่อมสภาพด้วยความร้อนของยางซิลิโคน
การเสื่อมสภาพจากความร้อนเป็นรูปแบบที่สำคัญที่สุดของการเสื่อมสภาพของยางซิลิโคน สภาพแวดล้อมการให้บริการของยางซิลิโคนอยู่ในอากาศที่มีอุณหภูมิสูง- ซึ่งการรวมกันของความร้อนและออกซิเจนทำให้เกิดการเสื่อมสภาพจากความร้อน ในระหว่างกระบวนการชราภาพด้วยออกซิเดชันเนื่องจากความร้อน อุณหภูมิสูงจะส่งเสริมการเกิดออกซิเดชันของยางซิลิโคน และออกซิเจนจะส่งเสริมการย่อยสลายเนื่องจากความร้อน
การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของยางซิลิโคนระหว่างการแก่ชราด้วยความร้อน-สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: ประการแรก การย่อยสลายของสายโซ่โมเลกุลที่เกิดจากปฏิกิริยาการแก่ชราด้วยความร้อน-; ประการที่สอง ข้าม-การเชื่อมโยงระหว่างสายโซ่โมเลกุล การเสื่อมสภาพของสายโซ่โมเลกุลทำให้ยางเหนียวหลังจากอายุมากขึ้น หลัง-การเชื่อมโยงข้ามอายุ-ทำให้ยางแข็งตัว ทั้งสองอย่างจะทำให้คุณสมบัติทางกลของยางลดลงและนำไปสู่ความล้มเหลวในที่สุด เมื่ออุณหภูมิของอากาศสูงขึ้น ข้อต่อยางซิลิโคนวัลคาไนซ์- และการยืดตัวที่ลดลงเมื่อขาดจะมากกว่าค่าความต้านทานแรงดึงอย่างมาก
ปัจจัยที่ส่งผลต่อการทนความร้อนของยางซิลิโคน
1. โครงสร้างทางเคมี
(1) โซ่หลักและกลุ่มด้านข้าง
โซ่หลักเป็นกระดูกสันหลังขั้นพื้นฐานที่สุดของยางซิลิโคน และมีอิทธิพลสำคัญต่อการเสื่อมสภาพจากความร้อน สายโซ่หลักประกอบด้วยพันธะไซล็อกเซนที่จัดเรียงเป็นโครงสร้างเกลียว ซึ่งแสดงขั้วและความยืดหยุ่นที่สำคัญ ดังนั้นที่อุณหภูมิสูง จึงมีแนวโน้มที่จะเกิดการเสื่อมสภาพของโซ่หลักและปฏิกิริยาออกซิเดชันของกลุ่มด้านข้าง ส่งผลให้ยางซิลิโคนค่อยๆ อ่อนตัวลงและสูญเสียคุณค่าในการใช้งาน หากสายโซ่หลักของยางซิลิโคนประกอบด้วยโครงสร้างที่แตกต่างกัน ความต้านทานความร้อนจะแตกต่างกันอย่างมากเช่นกัน การแนะนำกลุ่มต่างๆ เช่น ฟีนิลีน ไซโคลไดซิลาเซน ไดฟีนิลอีเทอร์ หมู่ฟีนิลีน หรือคาร์โบรานิลีน เข้าไปในสายโซ่หลักสามารถยับยั้งความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาการย่อยสลายแบบไซคลิกเซชันได้อย่างมาก และปรับปรุงความต้านทานความร้อนโดยรวมของวัสดุ สำหรับกลุ่มด้านข้าง เมื่อกลุ่มด้านข้างของยางซิลิโคนไวนิลคือฟีนิล เมทิล เอทิล โพรพิล และบิวทิล ตามลำดับ ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง- ยางซิลิโคนเหล่านี้จะออกซิไดซ์ตามลำดับ ส่งผลให้ความต้านทานความร้อนของวัสดุลดลง นอกจากนี้ การวิจัยยังพบว่าเมื่อกลุ่มด้านอัลคิลเพิ่มขึ้น ความคงตัวทางความร้อนของยางซิลิโคนก็ลดลงเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ความต้านทานความร้อนของยางซิลิโคนไดเมทิลดีกว่ายางซิลิโคนบิวทิล
(2) จบกลุ่ม
เมื่อกลุ่มสิ้นสุดของยางซิลิโคนเมทิลคือหมู่ไฮดรอกซิล ปฏิกิริยาการควบแน่นระหว่างโมเลกุลอาจเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ซึ่งส่งเสริมให้เกิดการตัดสายโซ่หลัก ซึ่งส่งผลต่อความต้านทานความร้อนของวัสดุ ที่อุณหภูมิสูงขึ้น ปฏิกิริยาการกัดกลับ-อาจเกิดขึ้นได้ ซึ่งนำไปสู่การย่อยสลายแบบสุ่ม ซึ่งท้ายที่สุดแล้วส่งผลต่อการต้านทานความร้อนของยางซิลิโคนผ่านการแตกตัวของพันธะ-พันธะฟีนิลของซิลิคอนและพันธะออกซิเจนของซิลิคอน-
2. วัสดุคอมโพสิตโพลีเมอร์อนินทรีย์กึ่ง-
เนื่องจากเป็นวัสดุคอมโพสิตโพลีเมอร์อนินทรีย์กึ่ง- การเติมสารตัวเติมต่างๆ ลงในยางซิลิโคนอาจส่งผลต่อการต้านทานความร้อนที่แตกต่างกันออกไป ตัวอย่างเช่น สารตัวเติมสารประกอบโลหะแอมโฟเทอริกบางชนิดสามารถดูดซับสารที่เป็นกรดหรือเบสภายในยางซิลิโคนได้ ซึ่งช่วยลดการย่อยสลายตัวเร่งปฏิกิริยาของยางซิลิโคนที่เกิดจากสารเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ มาตรการนี้สามารถลดโอกาสที่จะเกิดการเสื่อมสภาพจากความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ วัสดุที่ใช้กันทั่วไปเพื่อจุดประสงค์นี้คืออะลูมิเนียมออกไซด์ โดยสรุป สารตัวเติมไม่เพียงแต่เป็นสารเพิ่มความยาวที่ดีเยี่ยมเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มการทนความร้อนของยางซิลิโคนได้อย่างมากเมื่อใช้อย่างเหมาะสม
3. ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม
น้ำในสภาพแวดล้อมการบริการ รวมถึงไอน้ำ อาจทำให้เกิดการแตกตัวของพันธะไซลอกเซนในยางซิลิโคน และทำให้เกิดกลุ่มไซลานอลในที่สุด เป็นที่ทราบกันดีว่าการมีกลุ่มไซลานอลส่งผลเสียต่อการทนความร้อนของยางซิลิโคน นอกจากนี้ จุดที่น่าสนใจมากก็คือในยางซิลิโคนที่เติมไว้ การไฮโดรไลซิสและการจัดเรียงใหม่ของไซล็อกเซนมีผลเช่นเดียวกันกับคุณสมบัติทางกล ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะระบุการมีอยู่ของไฮโดรไลซิสได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการวิเคราะห์คุณสมบัติทางกลเพียงอย่างเดียว แต่ความแตกต่างของความต้านทานความร้อนสามารถเป็นพื้นฐานในการพิจารณาได้ การมีกรดหรือเบสอยู่ในระบบยางซิลิโคนจะเร่งการย่อยสลาย นอกจากนี้ ออกซิเจนและโอโซนในสิ่งแวดล้อมยังส่งผลเสียต่อการย่อยสลายเนื่องจากความร้อนของยางซิลิโคนอีกด้วย ในเวลาเดียวกัน หากมีโหลดความเค้นแบบวนรอบในสภาพแวดล้อมการใช้งาน ก็สามารถเร่งการย่อยสลายของไดเมทิลไซลอกเซนและไดฟีนิลไซลอกเซนโคโพลีเมอร์อีลาสโตเมอร์ ซึ่งช่วยลดความต้านทานความร้อนของวัสดุได้ นอกจากนี้ กลไกการย่อยสลายจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับอัตราส่วนองค์ประกอบของโคโพลีเมอร์ทั้งสองนี้
มาตรการปรับปรุงความต้านทานความร้อนของยางซิลิโคน
ตามกลไกการเสื่อมสภาพเนื่องจากความร้อนของยางซิลิโคนวัลคาไนซ์ มีหลายวิธีในการปรับปรุงคุณสมบัติการเสื่อมสภาพเนื่องจากความร้อน ดังนี้:
(1) แก้ไของค์ประกอบของสายโซ่ด้านข้างที่เป็นยางซิลิโคน เช่น การแนะนำหมู่ฟีนิล เพื่อป้องกัน-การเชื่อมโยงข้ามหรือการเสื่อมสภาพของสายโซ่โมเลกุลที่เกิดจากการสลายตัวของสายโซ่ด้านข้าง เนื่องจากหมู่ฟีนิลไม่สามารถออกซิไดซ์ได้ง่ายและสร้างอุปสรรคแบบ steric ในสายโซ่ซิลิโคน ทำให้สายโซ่ออร์กาโนซิลิคอนยากต่อการย่อยสลาย นอกจากนี้ เนื่องจากการผันคำกริยาที่มากขึ้นและผลกระทบจากอุปสรรคแบบ steric อุณหภูมิการสลายตัวเนื่องจากความร้อนจึงสูงขึ้น
(2) ใส่ส่วนที่เทอะทะเข้าไปในสายโซ่โมเลกุลของยางซิลิโคนเพื่อเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนของพันธะข้าม-ในพันธะวัลคาไนเซท เช่น คาร์บอน เดซิลอกซี เบนซีน ไดฟีนิลอีเทอร์ และไซโคลไดซิลาเซน
(3) เติมสารเติมแต่งที่ทนความร้อน-ให้กับสารประกอบเพื่อป้องกันการเชื่อมโยงข้ามออกซิเดชันของโซ่ด้านข้าง- และการเสื่อมสลายของวงจรของสายโซ่หลัก เช่น เหล็กออกไซด์ ไดออกเซน เฮกซาฟีนิลไซโคลไตรซิลอกเซน เป็นต้น
