CN103214847A - 复合裙整体成型用硅橡胶模具及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合裙整体成型用硅橡胶模具，由如下重量百分比的原料制成：硅橡胶乳液15~85%、硫化剂1~10%、促进剂0~2%、填料10~75%。所述模具的制备方法包括以下步骤：1）称取硅橡胶本体乳液和硫化剂搅拌均匀并真空脱泡；2）称取促进剂和填料，混入硅橡胶本体乳液和硫化剂并快速搅拌，再次真空脱泡；3）在外膜与刚性模之间注入混合液，在10℃~25℃温度下固化24~48小时，获得软膜制品；4）分别在90~100℃和180~200℃的温度条件下对软膜制品加热1.0~1.5h，最后脱除外模。本发明材料力学性能好、重量轻、成型工艺简单、价格低廉，适于广泛应用于航天复合材料领域。

Description

复合裙整体成型用硅橡胶模具及制备方法

技术领域

本发明涉及碳纤维/玻璃纤维增强树脂基复合材料领域，具体地指一种复合裙整体成型用硅橡胶模具及制备方法。

背景技术

随着航天设备对材料的要求越来越高，轻质化、高强度、高模量正逐渐成为其研究的热点，复合材料因具备以上特点而成为首选。固体火箭发动机壳体连接裙是壳体的整体延伸，用于实现导弹级间段连接或与其他部件的连接，要经受轴压、弯矩、剪切、内压等多种载荷，受力情况比较复杂，如何在不增加连接裙重量的情况下，简化成型工艺，并提高它的性能，对整个发动机壳体性能的提高至关重要。

现有的固体火箭发动机壳体连接裙所需的复合材料构件常采用缠绕成型，由于难以实现整体成型，构件性能受连接处强度的制约。复合裙整体成型工艺是一种闭模工艺，该工艺虽然具有尺寸精度高的特点，但同时也无法对复合材料制品进行加压。如何通过提高复合材料制品纤维体积含量达到提高复合裙整体成型制品力学性能的目的，已经成为航天设备复合材料领域研究的热点，然而目前这方面的成功例子的报道还比较少。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种材料力学性能好、重量轻、成型工艺简单、价格低廉的复合裙整体成型用硅橡胶模具及制备方法。

为实现上述目的，本发明所设计的复合裙整体成型用硅橡胶模具，由如下重量百分比的原料制成：硅橡胶乳液15~85%、硫化剂1~10%、促进剂0~2%、填料10~75%。其中，硅橡胶乳液在23℃搅拌后粘度为5×10⁴mPa·s，目测外观为乳白色/半透明。

作为优选方案，所述模具由如下重量百分比的原料制成：硅橡胶乳液35~65%、硫化剂4~8%、促进剂1~2%、填料30~55%。

再进一步地，所述硅橡胶乳液为甲基硅烷、甲基乙烯基硅烷、甲基乙烯基苯基硅烷中的一种或其组合。

还进一步地，所述硫化剂为正硅酸乙酯。

更进一步地，所述促进剂为二月桂酸丁基锡。

更进一步地，所述填料按重量由滑石粉1~3份、石英粉1~4份、硅微粉1~8份组成。

为实现上述目的，本发明所设计的复合裙整体成型用硅橡胶模具的制备方法，包括以下步骤：

1）按照所述比例称取硅橡胶乳液和硫化剂置于烧杯中，搅拌混合均匀，在10~25℃的温度条件下放入真空烘箱中，开启真空烘箱至烘箱真空度达到0.10~0.15Mpa的设定值，进行脱泡处理30~60min至不再出现较大气孔为止，待真空烘箱压力卸除后取出烧杯；

2）按所述比例称取促进剂和填料，加入到硅橡胶乳液和硫化剂混合液中，快速搅拌均匀，然后重复步骤1）中的真空脱泡处理；

3）在根据复合裙的内型面尺寸设计好的成型用外膜与刚性模之间注入经过步骤2）处理的混合液，在10~25℃的温度条件下固化24~48h，获得软膜制品；

4）先在90~100℃的温度条件下对步骤3）所得软膜制品加热1.0~1.5h，然后在180~200℃的温度条件下加热1.0~1.5h，最后脱除外模，获得所述硅橡胶模具。

作为优选方案，所述步骤3）中，当温度为10~15℃时，固化时间为40~48h；当温度为20~25℃时，固化时间为24~30h。

本发明的工作原理是这样的：由于具有一定的弹性，具有合适的热膨胀率和膨胀力，且热膨胀模所产生的压力随温度的增加而逐渐增加，所以采用硅橡胶模具作为产品阳模（即内模），制作硅橡胶模具时其外表面形状尺寸与所要求制备的复合裙的内表面型面一致，这是利用了硅橡胶加热产生合适的膨胀力实现提高制品纤维体积含量和降低孔隙率的特点，使得硅橡胶模具能耐固化时较高的固化温度，同时硅橡胶模具受热膨胀产生的压力与复合裙树脂体系的凝胶点是相匹配的，在树脂体系的凝胶点温度下，硅橡胶模具膨胀材料能产生并达到复合裙成型时所需要的压力，其中，硅橡胶乳液和硫化剂反应生成硅橡胶模具，促进剂起到加快硅橡胶乳液硫化速度的作用，而填料用于加强硅橡胶模具的强度，使其达到固体火箭发动机壳体连接裙所需的材料的要求。

综上所述，本发明的优点在于：1、充分利用硅橡胶具有的合适的热膨胀率和膨胀力，可在加热条件下受热膨胀对碳纤维复合材料施加压力，获得满足力学性能且质量更轻的复合材料制品；

2、该成型方法具有价格低廉、成型工艺简单的特点，为未来固体火箭发动机壳体复合裙乃至大型复合材料承力件的研制提供可靠的技术途径。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

实施例1：

将150克的硅橡胶乳液和100克的硫化剂混合，搅拌均匀并置于真空度为0.10MPa真空烘箱中进行60分钟脱泡处理，并倒入2000ml烧杯中，加入250克的滑石粉、250克的石英粉和250克的硅微粉，充分搅匀，然后置于真空度为0.1MPa真空烘箱中进行60分钟脱泡处理，在10℃温度下固化48小时，最后分别在90℃和180℃下分别加热1.5小时。

所制得的硅橡胶模具硬度为30°，在130℃受热时膨胀产生的压力为0.4MPa，在0~200℃的平均线膨胀系数为197×10^-6/℃，弹性模量为3.2MPa，邵氏硬度为47，泊松比为0.492，体积模量为66.7MPa。

实施例2：

将20克的二月桂酸丁基锡加入到含350克的硅橡胶乳液和80克的硫化剂的混合液中，搅拌均匀并置于真空度为0.12MPa真空烘箱中进行57分钟脱泡处理，倒入2000ml烧杯中，加入110克的滑石粉、165克的石英粉和275克的硅微粉，充分搅匀，然后置于真空度为0.12MPa真空烘箱中进行57分钟脱泡处理，在12℃温度下固化45小时，最后分别在92℃和185℃下分别加热1.4小时。

所制得的硅橡胶模具硬度为20°，在130℃受热时膨胀产生的压力为0.26MPa，在0~200℃的平均线膨胀系数为203×10^-6/℃，弹性模量为8.4MPa，邵氏硬度为59，泊松比为0.484，体积模量为87.5MPa。

实施例3：

将15克的二月桂酸丁基锡加入到含485克的硅橡胶乳液和50克的硫化剂的混合液中，搅拌均匀并置于真空度为0.15MPa真空烘箱中进行30分钟脱泡处理，倒入2000ml烧杯中，加入90克的滑石粉、120克的石英粉和240克的硅微粉，充分搅匀，然后置于真空度为0.15MPa真空烘箱中进行54分钟脱泡处理，在15℃温度下固化40小时，最后分别在95℃和190℃下均加热1.3小时。

所制得的硅橡胶模具硬度为26°，在130℃受热时膨胀产生的压力为0.33MPa，在0~200℃的平均线膨胀系数为208×10^-6/℃，弹性模量为3.5MPa，邵氏硬度为45，泊松比为0.478，体积模量为26.5MPa。

实施例4：

将10克的二月桂酸丁基锡加入到含650克的硅橡胶乳液和40克的硫化剂的混合液中，搅拌均匀并置于真空度为0.13MPa真空烘箱中进行45分钟脱泡处理，倒入2000ml烧杯中，加入100克的滑石粉、100克的石英粉和100克的硅微粉，充分搅匀，然后置于真空度为0.13MPa真空烘箱中进行45分钟脱泡处理，在20℃温度下固化30小时，最后分别在97℃和193℃下均加热1.2小时。

所制得的硅橡胶模具硬度为25°，在130℃受热时膨胀产生的压力为0.47MPa，在0~200℃的平均线膨胀系数为191×10^-6/℃，弹性模量为7.8MPa，邵氏硬度为56，泊松比为0.506。

实施例5：

将20克的二月桂酸丁基锡加入到含850克的硅橡胶乳液和30克的硫化剂的混合液中，搅拌均匀并置于真空度为0.15MPa真空烘箱中进行38分钟脱泡处理，倒入2000ml烧杯中，加入20克的滑石粉、30克的石英粉和50克的硅微粉，充分搅匀，然后置于真空度为0.15MPa真空烘箱中进行38分钟脱泡处理，在22℃温度下固化27小时，最后分别在98℃和195℃下均加热1.1小时。

所制得的硅橡胶模具硬度为34°，在130℃受热时膨胀产生的压力为0.56MPa，在0~200℃的平均线膨胀系数为241×10^-6/℃，弹性模量为3.6MPa，邵氏硬度为53，泊松比为0.490，体积模量为60MPa。

实施例6：

将20克的二月桂酸丁基锡加入到含850克的硅橡胶乳液和10克的硫化剂的混合液中，搅拌均匀并置于真空度为0.10MPa真空烘箱中进行60分钟脱泡处理，倒入2000ml烧杯中，加入24克的滑石粉、32克的石英粉和64克的硅微粉，充分搅匀，然后置于真空度为0.10MPa真空烘箱中进行60分钟脱泡处理，在25℃温度下固化24小时，最后分别在100℃和200℃下均加热1小时。

所制得的硅橡胶模具硬度为38°，在130℃受热时膨胀产生的压力为0.52MPa，在0~200℃的平均线膨胀系数为166×10^-6/℃，弹性模量为9.6MPa，邵氏硬度为67，泊松比为0.475，体积模量为64MPa。

Claims (10)

1.一种复合裙整体成型用硅橡胶模具，其特征在于：所述模具由如下重量百分比的原料制成：硅橡胶乳液15~85%、硫化剂1~10%、促进剂0~2%、填料10~75%。

2.根据权利要求1所述的复合裙整体成型用硅橡胶模具，其特征在于：所述模具由如下重量百分比的原料制成：硅橡胶乳液35~65%、硫化剂4~8%、促进剂1~2%、填料30~55%。

3.根据权利要求2所述的复合裙整体成型用硅橡胶模具，其特征在于：所述模具由如下重量百分比的原料制成：硅橡胶乳液48.5%、硫化剂5%、促进剂1.5%、填料45%。

4.根据权利要求1或2或3所述的复合裙整体成型用硅橡胶模具，其特征在于：所述硅橡胶乳液为甲基硅烷、甲基乙烯基硅烷、甲基乙烯基苯基硅烷中的一种或其组合。

5.根据权利要求1或2或3所述的复合裙整体成型用硅橡胶模具，其特征在于：所述硫化剂为正硅酸乙酯。

6.根据权利要求1或2或3所述的复合裙整体成型用硅橡胶模具，其特征在于：所述促进剂为二月桂酸丁基锡。

7.根据权利要求1或2或3所述的复合裙整体成型用硅橡胶模具，其特征在于：所述填料按重量由滑石粉1~3份、石英粉1~4份、硅微粉1~8份组成。

8.根据权利要求7所述的复合裙整体成型用硅橡胶模具，其特征在于：所述填料按重量由滑石粉2份、石英粉3份、硅微粉5份组成。

9.一种权利要求1所述复合裙整体成型用硅橡胶模具的制备方法，包括以下步骤：

1）按照所述比例称取硅橡胶乳液和硫化剂置于烧杯中，搅拌混合均匀，在10~25℃的温度条件下放入真空烘箱中，开启真空烘箱至烘箱真空度达到0.10~0.15Mpa的设定值，进行脱泡处理30~60min至不再出现较大气孔为止，待真空烘箱压力卸除后取出烧杯；

2）按所述比例称取促进剂和填料，加入到硅橡胶乳液和硫化剂混合液中，快速搅拌均匀，然后重复步骤1）中的真空脱泡处理；

3）在根据复合裙的内型面尺寸设计好的成型用外膜与刚性模之间注入经过步骤2）处理的混合液，在10~25℃的温度条件下固化24~48h，获得软膜制品；

4）先在90~100℃的温度条件下对步骤3）所得软膜制品加热1.0~1.5h，然后在180~200℃的温度条件下加热1.0~1.5h，最后脱除外模，获得所述硅橡胶模具。

10.根据权利要求9所述复合裙整体成型用硅橡胶模具的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，当温度为10~15℃时，固化时间为40~48h；当温度为20~25℃时，固化时间为24~30h。