CN1333035C

CN1333035C - 一种单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂及其制备方法

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Publication number: CN1333035C
Application number: CNB2005100452955A
Authority: CN
Inventors: 刘少杰; 刘斐; 刘华飞; 贾丽; 王晖; 刘渊
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: CN1793271A

Abstract

本发明公开了一种单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂，同时还公开了所述密封剂的制备方法。其组分由下述重量份配比组成：六方晶型氢氧化镁20～40份，端羟基聚二甲基硅氧烷40～60份，40%重量百分比的有机硅季铵盐抗菌剂乙醇溶液3～6份，经表面改性的气相法白炭黑5～7份，硅烷偶联剂2～5份，催化剂2～3份；其中，所述六方晶型氢氧化镁粒径为：1000～1500nm，含水量低于0.1%重量百分比；所述端羟基聚二甲基硅氧烷粘度为2000～10000mPa·S。本发明的密封剂具有阻燃性高，抗菌、抗老化能力强，使用温度范围广，原材料成本低廉等特点，更加拓展了有机硅密封剂的使用范围，对我国机械行业具有重要意义。

Description

一种单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型密封材料，尤其涉及一种单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂及其制备方法，属于化学材料学技术领域。

背景技术

我国现有密封剂已达数千种，用于工程机械、车辆和各种泵类等机械密封的密封剂也有数百种，但能在高温高湿高紫外线等恶劣条件下满足长期密封要求且性能稳定的材料却很罕见。

有机硅材料是一类新型绿色长寿的高分子材料，耐高低温耐老化抗紫外线能力都很强，是一种较为理想的密封材料。单组分有机硅机械密封剂是按加工工艺，将所有的有机硅胶料成分，反应混合好后，密封在金属软管或塑料管中的单一组分的密封剂；在使用时，挤出并均匀涂在结合面上就可自动固化，形成密封胶垫。通常，需要密封的机械设备大多要在各种恶劣环境中使用，这就需要密封材料具备阻燃防霉功能。然而，由于有机硅材料易燃，不阻燃；本身没有抗菌基团，也不具备防霉能力，这样就限制了有机硅材料的发展和应用。随着现代工业高速发展，迫切需要具有高复合性能的密封材料面世，以适应各种严酷恶劣的条件要求。

发明内容

针对现有密封材料所存在的性能缺陷，本发明要解决的问题是提供一种单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂及其制备方法，以实现有机硅密封剂集抗菌防霉和阻燃功能于一身的目的，扩大其应用领域，满足在苛刻条件下的密封剂防霉和消防阻燃要求。

本发明的设计思路主要是通过在有机硅材料中添加阻燃剂和抗菌剂来进行；其中，阻燃剂的选择原则是：对环境友好、与本体材料相容不冲突、不影响最终产品的贮存和使用、价格低廉。目前实际使用的阻燃剂品种繁多，主要有有机类的卤系、磷系、磷-氮系、硅系及无机类的铝系、镁系、硼系、钼系、锡系等。其中卤系(重点是溴系)阻燃剂是目前世界上产量和使用量最大的有机阻燃剂，由于使用有机阻燃剂的合成材料，在火灾中散发出有毒气体和浓烟，使火场能见度低，给消防和救护造成困难，甚至能造成中毒。又由于有机阻燃剂价格较贵，使应用受到限制，而且由于溴系阻燃剂有产生二噁英的可能性，欧盟已明令禁止使用三种溴系阻燃剂。无机类阻燃剂氢氧化镁是一种填充型无卤阻燃剂，具有阻燃阻滴、高效低毒、抑烟的特点，其热分解温度为340℃，受热分解时释放水分，同时吸收大量热能，分解后产生的蓬松的氧化镁层、是良好的隔热耐火材料。氢氧化镁极性较强，其晶体在(101)方向有微观内应变，易发生团聚，且晶体内存在水分，因此使用前必须除水并进行表面改性，使其能与本体材料相容。防霉抗菌剂的选择原则是：高效广谱、低刺激性、高安全性、与本体材料相容不冲突、不影响最终产品的贮存和使用。季铵盐是一类高效广谱的杀菌剂，但存在一定刺激性，并且毒性较大，经有机硅改性后性能可大大改善。经实验检测，证明浓度为0.01％的有机硅季铵盐抗菌剂溶液中，革兰氏菌、大肠杆菌、金黄葡萄球菌、枯草杆菌、淋球菌、乙肝表面抗原等不能存活。其半致死量LD₅₀＞10g/kg。说明有机硅季铵盐抗菌剂抗菌性能和安全性非常理想。

基于上述的研究基础，本发明提供的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂，由下述重量份配比的组分组成：六方晶型氢氧化镁20～40份，端羟基聚二甲基硅氧烷40～60份，40％重量百分比的有机硅季铵盐抗菌剂乙醇溶液3～6份，经表面改性的气相法白炭黑5～7份，硅烷偶联剂2～5份，催化剂2～3份；

其中，所述六方晶型氢氧化镁粒径为：1000～1500nm，含水量低于0.1％重量百分比；所述端羟基聚二甲基硅氧烷粘度为2000～10000mPa·S。

在上述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂中，所述组分重量份配比优选是：六方晶型氢氧化镁30～40份，端羟基聚二甲基硅氧烷50～60份，40％重量百分比的有机硅季铵盐抗菌剂乙醇溶液4～5份，经表面改性的气相法白炭黑6～7份，硅烷偶联剂4～5份，催化剂2.5～3份。

在上述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂中，所述有机硅季铵盐抗菌剂结构式为：〔(RO)₃Si(CH₂)₃N(CH₃)₂(C₁₈H₃₇)〕⁺Cl^-，其中R为CH₃或C₂H₅。

在上述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂中，所述经表面改性的气相法白炭黑是表面已经六甲基二硅氮烷或八甲基环四硅氧烷改性的SiO₂，比表面积为：120～200m²/g。

在上述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂中，所述硅烷偶联剂是结构式为：C₆H₅NH₂CH₂Si(OCH₃)₃的苯胺甲基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂ND-73)或结构式为：C₆H₅NH₂CH₂Si(OC₂H₅)₃的苯胺甲基三乙氧基硅烷(硅烷偶联剂ND-42)或其混合物。

其中，所述硅烷偶联剂优选是苯胺甲基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂ND-73)与苯胺甲基三乙氧基硅烷(硅烷偶联剂ND-42)的混合物；其中，苯胺甲基三甲氧基硅烷与苯胺甲基三乙氧基硅烷的混合比为：1∶2～3。

在上述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂中，所述催化剂是二月桂酸二丁基锡，钛酸酯，二月桂酸二辛酸锡，二月桂酸二醋酸锡之一或其混合物。

其中，所述催化剂优选是二月桂酸二丁基锡与钛酸酯的混合物；其中，二月桂酸二丁基锡与钛酸酯的混合比为：1∶0.5～0.7。

本发明所述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂的制备方法，步骤如下：

(1)对六方晶型氢氧化镁进行表面改性：

A.将50％重量百分比的硅烷偶联剂二甲苯溶液2～4重量份，均匀喷淋在80～100重量份的，粒径为1000～1500nm，水分含量低于0.1％重量百分比的六方晶型氢氧化镁粉末上，室温下，在低速捏合机中搅拌使其充分混合，转速为50～100转/分，时间为20～30分钟；

B.缓慢升温至90～110℃，在500～600转/分搅拌速度下对上述氢氧化镁进行表面改性，时间为60～80min，制得表面改性的六方晶型氢氧化镁；

(2)加工有机硅基料：

将5～7重量份表面已经六甲基二硅氮烷或八甲基环四硅氧烷改性的、比表面积为120～200m²/g的气相法白炭黑在搅拌条件下，缓慢加入到60～100重量份粘度为2000～10000mPa·S的端羟基聚二甲基硅氧烷中，以60～70转/分钟搅拌速度，搅拌3～4小时；静置8～10小时，备用；

(3)制备抗菌基础胶料：

将40％重量百分比的有机硅季铵盐抗菌剂乙醇溶液3～6重量份加入到80～100重量份有机硅基料中，在60～70转/分钟搅拌速度下，搅拌2～3小时，静置备用；

(4)制备基础胶料：

将20～40重量份表面改性的六方晶型氢氧化镁与30～60重量份抗菌基础胶料混合，在50～70转/分钟搅拌速度下，搅拌2～3小时，静置备用；

(5)生产成品密封剂：

将上述基础胶料置于灌装机中，在真空度为2～8×10^-4Pa条件下，依次搅拌加入3～5重量份硅烷偶联剂和2～3重量份催化剂，在60～70转/分钟搅拌速度下，搅拌3～4小时；充入氮气，在氮气保护以及真空度为1×10^-3～10^-4Pa条件下，螺杆挤出灌装，制得单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂成品。

在上述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂的制备方法中，基础胶料∶硅烷偶联剂∶催化剂的重量比优选为：100∶3～5∶2～3。

本发明所述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂的制备方法，在有机硅基础胶料中加入的氢氧化镁是六方片状晶型，微米级粒径，并且是进行了表面改性的。用硅烷偶联剂对其进行表面改性，封闭了表面的活性基团，提高了与有机硅基料的相容性，保证了密封剂的保存期限。

本发明所述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂的制备方法，在有机硅基础胶料中添加了有机硅季铵盐抗菌剂。有机硅季铵盐抗菌剂的加入，赋予了密封剂防霉抗菌功能，扩大了单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂的应用范围，使其具有更大的应用范围。

鉴于此，本发明方法制备的密封剂与传统的密封剂相比，具有如下优良效果：

密封剂阻燃性能大幅提高，燃烧氧指数可达26％以上。

密封剂抗菌能力大幅提高，其材料表面上对大肠杆菌、革兰氏菌、金黄葡萄球菌、枯草杆菌、淋球菌、乙肝表面抗原等具有明显的抑制和杀灭作用。

密封剂抗老化能力不因添加阻燃剂和抗菌剂而有所降低。

密封剂使用温度范围扩大，在-60℃～280℃之间，弹性及密封效果不变。

利用本发明方法制备的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂，由于其组分中加入价格低廉的氢氧化镁而大幅度降低了原材料成本，降幅能达到30％，大大降低了下游用户的费用，更加扩大了使用范围，对我国机械行业具有重要意义。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的阐述，需要说明的是，权利要求书及说明书中涉及的重量份在如下实施例中，均以1重量份为1公斤计。

实施例1：

制备单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂，步骤如下：

(1)对六方晶型氢氧化镁进行表面改性：

A.将50％重量百分比的硅烷偶联剂(苯胺甲基三乙氧基硅烷)二甲苯溶液3重量份，均匀喷淋在80重量份的六方晶型氢氧化镁粉末上(要求阻燃剂氢氧化镁形貌为片状六方结晶，粒径为1200～1500nm，水分含量低于0.1％重量百分比)，室温下，在低速捏合机中搅拌使其充分混合，转速为60转/分，时间为20分钟。

B.缓慢升温至90℃，在500转/分搅拌速度下对上述氢氧化镁进行表面改性，时间为60min，制得表面改性的六方晶型氢氧化镁；

(2)加工有机硅基料：

将5重量份表面已经六甲基二硅氮烷改性的、比表面积为150～200m²/g的气相法白炭黑在搅拌条件下，缓慢加入到80重量份粘度为2000～6000mPa·S的端羟基聚二甲基硅氧烷中，以60转/分钟搅拌速度，搅拌3小时；静置8小时，备用；

(3)制备抗菌基础胶料：

将40％重量百分比的有机硅季铵盐抗菌剂(〔(RO)₃Si(CH₂)₃N(CH₃)₂(C₁₈H₃₇)〕⁺Cl^-，其中R为C₂H₅)乙醇溶液3重量份加入到80重量份有机硅基料中，在60转/分钟搅拌速度下，搅拌2小时，静置备用；

(4)制备基础胶料：

将20重量份表面改性的六方晶型氢氧化镁与45重量份抗菌基础胶料混合，在50转/分钟搅拌速度下，搅拌2小时，静置备用；

(5)生产成品密封剂：

将上述基础胶料置于灌装机中，在真空度为2～8×10^-4Pa条件下，依次搅拌加入3重量份硅烷偶联剂(硅烷偶联剂是苯胺甲基三甲氧基硅烷与苯胺甲基三乙氧基硅烷的混合物；混合比为：1∶2)和2重量份催化剂(二月桂酸二丁基锡)，使基础胶料∶硅烷偶联剂∶催化剂的重量比为：100∶3∶2，在60转/分钟搅拌速度下，搅拌3小时；充入氮气，在氮气保护以及真空度为1×10^-3～10^-4Pa条件下，螺杆挤出灌装，制得单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂成品。

经测试：单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂的拉伸强度为0.71MPa，断裂伸长率为128％，燃烧氧指数为26.6％。

实施例2：

制备单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂，步骤如下：

(1)对六方晶型氢氧化镁进行表面改性：

A.将50％重量百分比的硅烷偶联剂(苯胺甲基三乙氧基硅烷)二甲苯溶液4重量份，均匀喷淋在90重量份的六方晶型氢氧化镁粉末上(要求阻燃剂氢氧化镁形貌为片状六方结晶，粒径为1100～1400nm，水分含量低于0.1％重量百分比)，室温下，在低速捏合机中搅拌使其充分混合，转速为80转/分，时间为25分钟；

B.缓慢升温至100℃，在550转/分搅拌速度下对上述氢氧化镁进行表面改性，时间为70min，制得表面改性的六方晶型氢氧化镁；

(2)加工有机硅基料：

将6重量份表面已经六甲基二硅氮烷改性的、比表面积为140～170m²/g的气相法白炭黑在搅拌条件下，缓慢加入到90重量份粘度为5000～8000mPa·S的端羟基聚二甲基硅氧烷中，以65转/分钟搅拌速度，搅拌3.5小时；静置9小时，备用；

(3)制备抗菌基础胶料：

将40％重量百分比的有机硅季铵盐抗菌剂(〔(RO)₃Si(CH₂)₃N(CH₃)₂(C₁₈H₃₇)〕⁺Cl^-，其中R为CH₃)乙醇溶液5重量份加入到90重量份有机硅基料中，在65转/分钟搅拌速度下，搅拌2.5小时，静置备用；

(4)制备基础胶料：

将30重量份表面改性的六方晶型氢氧化镁与50重量份抗菌基础胶料混合，在60转/分钟搅拌速度下，搅拌2.5小时，静置备用；

(5)生产成品密封剂：

将上述基础胶料置于灌装机中，在真空度为2～8×10^-4Pa条件下，依次搅拌加入4重量份硅烷偶联剂(硅烷偶联剂是苯胺甲基三甲氧基硅烷与苯胺甲基三乙氧基硅烷的混合物；混合比为：1∶2.5)和2.5重量份催化剂(二月桂酸二丁基锡与钛酸酯的混合物；混合比为：1∶0.6)，使基础胶料∶硅烷偶联剂∶催化剂的重量比为：100∶4∶2.5，在60转/分钟搅拌速度下，搅拌3小时；充入氮气，在氮气保护以及真空度为1×10^-3～10^-4Pa条件下，螺杆挤出灌装，制得单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂成品。

经测试：单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂的拉伸强度为0.78MPa，断裂伸长率为116％，燃烧氧指数为30.6％。

实施例3：

制备单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂，步骤如下：

(1)对六方晶型氢氧化镁进行表面改性：

A.将50％重量百分比的硅烷偶联剂(苯胺甲基三甲氧基硅烷)二甲苯溶液4重量份，均匀喷淋在100重量份的六方晶型氢氧化镁粉末上(要求阻燃剂氢氧化镁形貌为片状六方结晶，粒径为1000～1300nm，水分含量低于0.1％重量百分比)，室温下，在低速捏合机中搅拌使其充分混合，转速为100转/分，时间为30分钟；

B.缓慢升温至110℃，在600转/分搅拌速度下对上述氢氧化镁进行表面改性，时间为80min，制得表面改性的六方晶型氢氧化镁；

(2)加工有机硅基料：

将7重量份表面已经八甲基环四硅氧烷改性的、比表面积为120～160m²/g的气相法白炭黑在搅拌条件下，缓慢加入到100重量份粘度为6000～10000mPa·S的端羟基聚二甲基硅氧烷中，以70转/分钟搅拌速度，搅拌4小时；静置10小时，备用；

(3)制备抗菌基础胶料：

将40％重量百分比的有机硅季铵盐抗菌剂(〔(RO)₃Si(CH₂)₃N(CH₃)₂(C₁₈H₃₇)〕⁺Cl^-，其中R为CH₃)乙醇溶液6重量份加入到100重量份有机硅基料中，在70转/分钟搅拌速度下，搅拌3小时，静置备用；

(4)制备基础胶料：

将40重量份表面改性的六方晶型氢氧化镁与40重量份抗菌基础胶料混合，在70转/分钟搅拌速度下，搅拌3小时，静置备用；

(5)生产成品密封剂：

将上述基础胶料置于灌装机中，在真空度为2～8×10^-4Pa条件下，依次搅拌加入5重量份硅烷偶联剂(硅烷偶联剂是苯胺甲基三甲氧基硅烷与苯胺甲基三乙氧基硅烷的混合物；混合比为：1∶3)和3重量份催化剂(二月桂酸二丁基锡与钛酸酯的混合物；混合比为：1∶0.7)，使基础胶料∶硅烷偶联剂∶催化剂的重量比为：100∶5∶3，在60转/分钟搅拌速度下，搅拌3小时；充入氮气，在氮气保护以及真空度为1×10^-3～10^-4Pa条件下，螺杆挤出灌装，制得单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂成品。

经测试：单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂的拉伸强度为0.84MPa，断裂伸长率为110％，燃烧氧指数为34.8％。

Claims

1.一种单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂，由下述重量份配比的组分组成：六方晶型氢氧化镁20～40份，端羟基聚二甲基硅氧烷40～60份，40％重量百分比的有机硅季铵盐抗菌剂乙醇溶液3～6份，经表面改性的气相法白炭黑5～7份，硅烷偶联剂2～5份，催化剂2～3份；

2.如权利要求1所述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂，其特征在于，所述组分重量份配比是：六方晶型氢氧化镁30～40份，端羟基聚二甲基硅氧烷50～60份，40％重量百分比的有机硅季铵盐抗菌剂乙醇溶液4～5份，气相法白炭黑6～7份，硅烷偶联剂4～5份，催化剂2.5～3份。

3.如权利要求1或2所述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂，其特征在于，所述有机硅季铵盐抗菌剂结构式为：〔(RO)₃Si(CH₂)₃N(CH₃)₂(C₁₈H₃₇)〕⁺Cl^-，其中R为CH₃或C₂H₅。

4.如权利要求1或2所述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂，其特征在于，所述气相法白炭黑是表面已经六甲基二硅氮烷或八甲基环四硅氧烷改性的SiO₂，比表面积为：120～200m²/g。

5.如权利要求1或2所述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂，其特征在于，所述硅烷偶联剂是结构式为：C₆H₅NH₂CH₂Si(OCH₃)₃的苯胺甲基三甲氧基硅烷或结构式为：C₆H₅NH₂CH₂Si(OC₂H₅)₃的苯胺甲基三乙氧基硅烷或其混合物。

6.如权利要求5所述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂，其特征在于，所述硅烷偶联剂是苯胺甲基三甲氧基硅烷与苯胺甲基三乙氧基硅烷的混合物；其中，苯胺甲基三甲氧基硅烷与苯胺甲基三乙氧基硅烷的混合比为：1∶2～3。

7.如权利要求1或2所述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂，其特征在于，所述催化剂是二月桂酸二丁基锡，钛酸酯，二月桂酸二辛酸锡，二月桂酸二醋酸锡之一或其混合物。

8.如权利要求7所述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂，其特征在于，所述催化剂是二月桂酸二丁基锡与钛酸酯的混合物；其中，二月桂酸二丁基锡与钛酸酯的混合比为：1∶0.5～0.7。

9.权利要求1所述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂的制备方法，步骤如下：

(1)对六方晶型氢氧化镁进行表面改性：

(2)加工有机硅基料：

(3)制备抗菌基础胶料：

(4)制备基础胶料：

(5)生产成品密封剂：

10.如权利要求9所述的单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂的制备方法，其特征在于，所述单组分防霉阻燃有机硅机械密封剂的制备中，基础胶料∶硅烷偶联剂∶催化剂的重量比为：100∶3～5∶2～3。