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聚对二甲苯薄膜制备工艺及其在橡胶制品上的应用

2019-01-21 08:28
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3、聚对二甲苯薄膜的在橡胶制品上的应用

聚对二甲苯的应用非常广泛,已成功应用于各种领域,如航空航天、光学、电子、生物医药及文物保护等领域,这方面已有不少研究和文献综述。本文将结合作者的一些操作经验,概述聚对二甲苯薄膜在橡胶制品中的应用。

3.1 硅橡胶按键

采用聚对二甲苯覆膜工艺,可以在硅胶按键产品的表面形成一种均匀、极薄(2~3μm)且与原产品表面轮廊相一致的聚合物保护层。这种保护层,可使硅橡胶按键等硅橡胶制品更耐磨,从而提高硅橡胶制品的使用寿命。由于聚对二甲苯薄膜密封性的保护,印刷在硅橡胶按键上的字符不会受到手指油、化学品、溶剂和湿气的侵袭,从而可以改善在各种环境下使用的硅橡胶按键及按键上的字符的耐久性。对二甲苯薄膜还提高硅橡胶按键的耐电压击穿性能。

此外,聚对二甲苯薄膜可以除去硅橡胶的粘性,使硅橡胶表面更润滑,改变硅橡胶按键的手感。由于厚度薄,聚对二甲苯薄膜是透明或接近透明的,对按键的外观和尺寸没有影响。

3.2 橡胶密封件

由于聚对二甲苯薄膜有良好的力学性能和耐化学品性能,并且其摩擦系数小,与聚四氟乙烯接近,它已被用来提高橡胶密封件的性能、延长密封件的使用寿命。

Pyle将厚度为0.1至3μm的聚对二甲苯覆膜到硅橡胶垫片表面,用于降低硅橡胶材料的表面能和挥发物量,减少硅橡胶垫片对空气中颗粒和纤维的吸附。这种硅橡胶垫片,可用于计算机和电子设备中。

Walker将N型、C型或D型的聚对二甲苯覆膜到硅橡胶垫片的表面,提高了硅橡胶垫片的耐油吸收性和渗出性。聚对二甲苯覆膜的厚度至少是2.5μm,最好为5.0μm,对改善硅橡胶的耐烃油性能很有效,减少烃油对硅橡胶垫片渗透性。这种表面改性的硅橡胶垫片可用于做发动机中垫片。

将聚对二甲苯覆膜在典型的试验室用亚铃形试片、胶板和胶块以及由氟橡胶、氢化丁腈橡胶、丁腈橡胶和硅橡胶制成的燃油系统用的橡胶件上进行了基础研究。所得出的结论是:弹性体密封件上的聚对二甲苯涂层改善了体积溶胀性能。尤其是对硅橡胶而言,不但改善了体积溶胀性能,还提高或保持了硅橡胶的关键的物理性能。聚对二甲苯涂层在汽车燃油系统中有较广泛的应用,特别适用于含醇燃油系统中,例如用作O形圈、静态密封件和燃油液面指示器系统、整个滤筒和浮标等。

3.3 轮胎内衬或内胎

丁基橡胶由于有良好的气密性,应用于制作内胎或轮胎内衬。用橡胶做内胎或内衬将增加轮胎的重量、增加轮胎的滚动阻力。聚对二甲苯薄膜由于有良好的流体阻隔作用,可用作充气制品的阻隔层。厚度为0.5μm至100μm的聚对二甲苯薄膜可涂敷于充气制品的内表面上、两层的界面层上、内胎的内表面上、外表面上或同时涂敷于内胎的内表面上和外表面上,以提供气密性。采用了聚对二甲苯薄膜,制备内胎就可以少用或不用滚动阻力大的丁基橡胶,改用其它低滞后的橡胶材料达到阻止充气气体的迁移的目的。

3.4 医疗橡胶制品

丁基橡胶瓶塞的气密性、化学稳定性、耐热性、内在洁净度和生物性能都很好,但在药物的贮存过程中,丁基胶塞直接与药物接触,会使胶塞中的部分成分迁移到药物中,并可与药品发生相互作用。所以,通过选用一种惰性柔软涂层,将其覆盖在胶塞表面,以隔离药品与橡胶瓶塞的直接接触,可以明显改善胶塞与药物的相容性。

根据覆膜工艺的特点,常用的丁基胶塞覆膜工艺有以下几种:

(1)采用聚四氟乙烯、乙烯-聚四氟乙烯共聚物、聚乙烯或聚丙烯等薄膜材料的贴膜工艺;

(2)采用聚二甲基硅氧烷的浸涂、喷涂和刷涂工艺;

(3)采用聚对二甲苯的真空覆膜工艺。由于不含填料、稳定剂、溶剂、催化剂和增塑剂,所以聚对二甲苯覆膜不存在浸析、释气和抽提等问题。

丁基胶塞用聚对二甲苯覆膜的优点是:覆膜过程是在真空状态下进行的,因而能够渗透并覆盖在需处理的物体上,成膜均匀一致、透明;因为是干态过程,无催化剂或有机溶剂存在,无流挂、流失等液体涂层常见的涂层缺陷,是真正的无针孔涂层膜,可以防潮、防酸、防碱、防菌、抗风化、耐高温、抗严寒。聚对二甲苯是一种化学惰性好又具有良好生物相容性的高纯涂层材料,已经经过美国FDA认可,已广泛使用于各种医疗器材和包装材料上。采用聚对二甲苯的真空覆膜工艺,克服了贴膜工艺中易出现膜材粘附力不强、膜易脱落、膜材弹性差、覆膜胶塞硬度较大、自密封差、针刺性能差等问题,也克服了涂膜工艺中常见的流挂、膜厚不均、针孔等问题。因此,丁基胶塞采用聚对二甲苯的真空覆膜工艺,可以在成本和性能上得到较好的平衡。

除了医用丁基胶塞,医用包装如接触药剂的预灌封注射器、药剂瓶、胶管和袋,也面临必须确保活性强的药物和更精细的粉末制剂具有长储存寿命的挑战。在某些情况下,包装材料会释放出有害成分,这些成分将导致药物被污染。聚对二甲苯薄膜的干膜润滑性比某些聚四氟乙烯还好,可用作医用包装材料的防护性隔离层和润滑层,为这些挑战提供了一个新的解决方案。采用聚对二甲苯覆膜工艺后,胶塞所用的橡胶材质可以是丁基橡胶、卤化丁基橡胶、天然橡胶、聚异戊二烯橡胶和聚烯烃热塑性弹性体中的一种。

由弹性体、弹性体凝胶或聚氨酯制成的矫形垫,涂覆一层聚对二甲苯薄涂层后,可以减少矫形垫的摩聚对二甲苯具有良好的生物相容性,已通过美国FDA论证认可,满足美国药典生物医用材料Ⅵ类标准,被列为是一种可以在体内长期植入使用的生物医用材料。在现有材料中聚对二甲苯对细胞的生长具有最小干扰,在腐蚀性生物学环境下不会被水降解,经它涂敷的器件可改善表面润滑性,提高可靠性。硅橡胶材料由于其优异的生物相容性、化学稳定性及良好的物理机械性能,被国际上公认为颌面缺损软组织修复的首选材料。目前国内外赝复硅橡胶的种类繁多,多数性能已接近或达到了理想值水平,但由于硅橡胶表面疏松多孔,极易被细菌粘附,从而导致患者白色念珠菌性口炎和其它细菌感染的发生。同时,赝复硅橡胶材料也具有表面润湿性差的缺点,与患者敏感脆弱的伤后粘膜接触时会产生摩擦,造成患者不适。这些不足,都是赝复硅橡胶研究中亟待解决的问题。用聚对二甲苯薄膜对硅橡胶进行表面改性,可解决赝复硅橡胶易粘附细菌、色彩稳定性差、表面润湿性差、吸水率大等问题,可满足改性要求,改性后可显著提高赝复硅橡胶的整体性能,可提高赝复体的远期修复效果。擦系数,改善对使用者皮肤的滑动性。聚对二甲苯薄膜还可以用于柔性有机硅等材料制备的人工呼吸道装置的表面,以替代凝胶润滑剂,提供低摩擦系数。

3.5 微机电系统

随着微机电系统(MEMS)技术的进一步发展,聚对二甲苯以其特有的优点越来越受MEMS领域的青睐,应用到从微结构到集成微流体系统中。硅橡胶具有低弹性模量和高伸长率,与集成电路工艺的相容性好,即使在粗糙的表面也能达到良好的密封。但硅橡胶是可渗透的,并且吸收大量用于驱动的液体。因此,将硅橡胶和聚对二甲苯组成复合膜,用于微机械流体膜阀和泵中,可保留硅橡胶和聚对二甲苯各自的优点。聚对二甲苯薄膜可有效阻隔3M含氟液体的蒸汽,而硅橡胶层则进一步提高复合膜的牢固性。

Yang等制成的热驱动的微阀中,采用了由聚对二甲苯覆膜的硅橡胶薄膜,由于聚对二甲苯的机械强度好,使得薄膜在较高的流体压力下,微阀没有任何的损坏,同时有效地防止了蒸汽的泄漏,同时保证了薄膜具有较大的冲程。生物微机电系统(BioMEMS)的发展要求使用生物相容性的材料,这更促进了聚对二甲苯薄膜在可植入微系统等BioMEMS上的应用,这些含有硅橡胶和聚对二甲苯薄膜的微系统可用于传输治疗药物。

4、结语和展望

聚对二甲苯薄膜由于其优异的性能,已发展成为用于橡胶表面改性的一种新型聚合物材料。聚对二甲苯通过化学气相沉积的方法在室温下制备,所得到的薄膜具有无应力、无针孔和良好的耐化学品性能和生物相容性等优异的特性。本文主要介绍了聚对二甲苯薄膜的制备方法、特性及其在硅橡胶按键、橡胶密封件、轮胎内衬和内胎、医疗用橡胶制品、微机电系统等方面应用,相信将来聚对二甲苯薄膜将在橡胶制品上得到更多的应用,用于改善橡胶制品的耐化学品性能和耐油性能、阻隔性能、表面摩擦和润滑性能、电绝缘和耐电压破坏性能、生物相容性能等。

所要继续进行的研发工作,包括如何进一步提高聚对二甲苯薄膜对各种橡胶基材和热塑性弹性体基材的附着力,进一步提高聚对二甲苯薄膜的力学强度,提高聚对二甲苯薄膜的耐疲劳性能,以便适应某些动态环境下的应用;实现活性中间体对二亚甲基苯在橡胶表面的接枝共聚;继续开发各种取代的对二甲苯二聚体,如全氟代二聚体,以便用于要求更苛刻的场合。

谨以此文,纪念中国硅橡胶和气相法白炭黑产业的开拓者江英彦教授!

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