Silica Gel Chịu Nhiệt|Hướng dẫn chuyên nghiệp: Bước nhảy vọt từ 200 độ lên 300 độ – Giải thích toàn diện về cách lựa chọn, sử dụng và tránh những cạm bẫy với chất chịu nhiệt Silica Gel

Cao su silicon thông thường có nhiệt độ sử dụng lâu dài là 200 độ . Ở 250 độ, nó bắt đầu cứng lại, nứt và các tính chất cơ học của nó giảm mạnh. Trong các ứng dụng như bộ pin xe năng lượng mới, con dấu hàng không vũ trụ và con lăn dập nóng công nghiệp, nhiệt độ thường vượt quá 250 độ, điều mà cao su silicon thông thường không thể chịu được.

Chất chịu nhiệt chính là chìa khóa để giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên, việc chọn sai loại có thể dẫn đến các vấn đề như khả năng chịu nhiệt không đủ, sản phẩm không sử dụng được chuyển sang màu đỏ hoặc nâu hoặc thậm chí cản trở quá trình lưu hóa mặc dù đã bổ sung thêm tác nhân. Bài viết này làm rõ các loại, nguyên tắc, tham số, khớp quy trình và những cạm bẫy phổ biến.

01 Silicon Chịu Nhiệt Là Gì? Chất chịu nhiệt silicon là chất phụ gia chức năng được thêm vào cao su silicon để cải thiện khả năng chịu nhiệt và độ ổn định oxy hóa-của vật liệu. Mục tiêu cốt lõi của chúng là tăng-nhiệt độ sử dụng lâu dài từ 200 độ lên 250-300 độ đồng thời trì hoãn sự suy giảm các tính chất cơ học ở nhiệt độ cao.

Trong môi trường-nhiệt độ cao, giàu oxy-, silicon trải qua hai quá trình chính: Thứ nhất, các nhóm bên (nhóm metyl) bị oxy hóa để tạo thành các gốc tự do alkyl. Sự liên kết gốc tự do dẫn đến mật độ liên kết chéo-tăng lên, khiến sản phẩm dần dần cứng lại và thậm chí bị nứt (thường được gọi là cứng lại). Thứ hai, chuỗi chính trải qua quá trình phân hủy theo chu kỳ, tạo ra các siloxan tuần hoàn có trọng lượng-phân tử{6}} thấp như D3 và D4, dẫn đến giảm trọng lượng phân tử và mất các tính chất cơ học. Vai trò của các tác nhân chịu nhiệt là làm chậm hai quá trình này bằng cách bắt giữ các gốc tự do, ức chế các phản ứng chuỗi oxy hóa và bảo vệ chuỗi chính silicone.

Các lộ trình kỹ thuật chia thành hai hướng chính: Ôxit kim loại vô cơ-sử dụng các phản ứng oxi hóa khử để hấp thụ các gốc tự do được tạo ra bởi quá trình oxy hóa và tái tạo chúng dưới tác dụng của oxy, do đó hoàn thành chức năng của chúng theo chu kỳ; và Organosilicon/hữu cơ-tạo thành lớp bảo vệ xung quanh chuỗi chính silicon thông qua thiết kế cấu trúc phân tử hoặc thu giữ trực tiếp các gốc tự do. Mỗi tuyến đường có các kịch bản áp dụng riêng, sẽ được so sánh chi tiết sau.

02 So Sánh Bốn Loại

Chất chịu nhiệt-silicone trên thị trường chủ yếu được chia thành bốn loại với sự khác biệt đáng kể về nguyên tắc, tác dụng và giá thành:

① Oxit kim loại-loại cổ điển nhất và được sử dụng rộng rãi. Oxit sắt đỏ ( -Fe₂O₃) được sử dụng phổ biến nhất. Thêm 2-5 phần trên 100 phần của hợp chất có thể tăng khả năng chịu nhiệt độ lâu dài từ 200 độ lên 250 độ và giảm độ giãn dài khi đứt ở 250 độ xuống 40%. Chi phí thấp nhưng sẽ làm sản phẩm có màu đỏ/nâu. Cerium dioxide (CeO₂) hiệu quả hơn oxit sắt, ít ảnh hưởng đến màu sắc hơn (màu vàng nhạt) và có thể thêm vào ở mức 0,5-4 phần. Ôxít coban, oxit mangan, oxit kẽm và titan dioxide cũng có thể được sử dụng. Trong số đó, hệ thống nhị phân TiO₂+Fe₂O₃ (mỗi loại lớn hơn hoặc bằng 0,1%) có thể ức chế sự hình thành formaldehyde và cyclosiloxan (D4/D5/D6), giảm lượng khí thải VOC từ 60%-80%.

② Hợp chất đất hiếm – giải pháp chịu nhiệt-cao cấp{1}}. Stearate Lanthanide hoặc phức hợp acetylacetone và masterbatch xeri hydroxit (Ce(OH)₃ (thêm 5%–10%), có nhiệt độ phân hủy ban đầu TGA khoảng 400 độ, cho phép silicone duy trì ổn định ở 300 độ. Các sản phẩm tiêu biểu bao gồm chất chịu nhiệt đất hiếm lanthanide, có khả năng chịu nhiệt đáng kể nhưng đắt tiền hơn, được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ, bịt kín-cao cấp và các ứng dụng khác yêu cầu khả năng chịu nhiệt độ cực cao.

③ Organosilicon heat resistant agents-the first choice for transparent/light-colored products. Hexaphenylcyclotrisilazane (HPCS), added at 0.5%–3.0%, has a TGA initial degradation temperature >450 độ , khiến nó trở thành một trong những loại-chịu nhiệt cao nhất hiện có mà không ảnh hưởng đến độ trong suốt. Ngoài ra còn có các chất phụ gia chịu nhiệt hữu cơ-(loại lỏng trong suốt) chứa các ion kim loại chuyển tiếp và liên kết thioether, giúp bắt giữ các gốc tự do thoái hóa oxy hóa một cách hiệu quả, cải thiện đáng kể độ ổn định nhiệt-oxy hóa ở 280 độ trong khi vẫn duy trì các đặc tính cơ học và khả năng xử lý. Organosilicon-các chất chống oxy hóa phenolic biến tính (chứa benzotriazole hoặc mảnh ghép siloxane có cấu trúc amin bị cản trở) cũng thuộc loại này. Ưu điểm bao gồm độ trong suốt, không ảnh hưởng đến màu sắc và khả năng phân tán tốt; nhược điểm bao gồm chi phí cao.

④ Loại nanocompozit – xu hướng phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Nano-oxit sắt, oxit nano-xeri, oxit nano-zirconium, v.v., có diện tích bề mặt riêng lớn và hoạt tính cao. Lượng bổ sung thấp (thường là 1{11}}3 phần) có thể đạt được hiệu quả của hơn 5 phần oxit truyền thống mà ít tác động đến màu sắc và độ trong suốt. Ngoài ra còn có hệ thống hỗn hợp zirconi hydroxit + yttri oxit + hexaphenylcyclotrisilazane, đạt được khả năng chịu nhiệt độ cao hơn thông qua sức mạnh tổng hợp đa thành phần. Các chất chịu nhiệt oxit tổng hợp cũng là một lĩnh vực sáng chế nóng.

Tóm lại: Để có chi phí thấp nên chọn sắt oxit đỏ (màu đỏ là chấp nhận được); đối với nhiệt độ trên 280 độ, chọn loại đất hiếm hoặc organosilicon; để minh bạch, hãy chọn loại organosilicon; đối với lượng bổ sung thấp, hãy chọn loại nanocompozit.

03 Phù hợp với hệ thống lưu hóa Sự không tương thích giữa chất chịu nhiệt và hệ thống lưu hóa có thể dẫn đến giảm khả năng chịu nhiệt hoặc, trong trường hợp nghiêm trọng, không lưu hóa được chút nào.

Hệ thống peroxide (di(2,4-dioxane/di(2,5-dioxane)): Khả năng tương thích tốt nhất, lựa chọn phổ biến cho cao su silicon chịu nhiệt-. Peroxide-tạo ra liên kết ngang C-C (Si-CH₂-CH₂-Si) thể hiện độ ổn định nhiệt vượt trội so với liên kết ngang được xử lý bằng-bổ sung, làm cho nó phù hợp hơn cho các ứng dụng chịu nhiệt. Bis-2,5-(2,5-dimethyl-2,5-di-tert-butylperoxyhexane) có nhiệt độ phân hủy cao và ít bị cháy, phù hợp với các sản phẩm dày; với chất hỗ trợ liên kết ngang TAIC (gấp 1,5–2 lần lượng peroxide), mật độ liên kết ngang có thể tăng lên, giảm mức nén từ 28% xuống 16% ở 200 độ trong 70 giờ.

Hệ thống bạch kim (loại{0}}bổ sung): Phải đặc biệt chú ý đến khả năng các ion kim loại và các thành phần lưu huỳnh/phốt pho/nitơ trong chất chịu nhiệt có thể gây độc cho chất xúc tác bạch kim, dẫn đến quá trình lưu hóa không hoàn toàn. Khi sử dụng chất ức chế acetylene, cần đảm bảo chất chịu nhiệt không ảnh hưởng đến ngưỡng ức chế. Các chất chịu nhiệt organosilicon như HPCS có khả năng tương thích tốt với các hệ thống bạch kim và là lựa chọn ưu tiên cho loại silicon lỏng bổ sung. Ôxit kim loại cần phải được thử nghiệm ở quy mô nhỏ-trước để xác nhận khả năng tương thích.

Hệ thống lưu hóa kép (peroxide + KH{1}}CL): Dùng cho cao su phenyl silicone, đạt được lưu hóa hoàn toàn với cả độ bền cao và khả năng chịu nhiệt độ-cao tốt, phù hợp với điều kiện làm việc khắc nghiệt trên 300 độ.

Bước đầu tiên trong việc lựa chọn luôn là xác nhận hệ thống lưu hóa, sau đó chọn loại chất chịu nhiệt; thứ tự không thể đảo ngược.

04 Ba quá trình bổ sung
**Trộn trong máy nghiền mở:** Sau khi phân tán cao su silicon trong máy nghiền mở, thêm chất chịu nhiệt (có thể thêm đồng thời với masterbatch màu và chất lưu hóa), và lăn liên tục cho đến khi đồng nhất. Đây là phương pháp phổ biến nhất, phù hợp với hỗn hợp cao su rắn. Các chất chịu nhiệt oxit kim loại cần phải được phân tán hoàn toàn để tránh sự kết tụ cục bộ dẫn đến khả năng chịu nhiệt độ không đồng đều. Hãy chú ý đến việc kiểm soát nhiệt độ trộn vì một số chất chịu nhiệt hữu cơ rất nhạy cảm với nhiệt.

**Trộn máy trộn:** Các hợp chất cao su rắn được thêm vào máy trộn cùng với cao su thô, silica và chất kiểm soát cấu trúc. Sau khi trộn đều, để yên trong 8–36 giờ (kiểm soát cấu trúc), sau đó thêm chất chịu nhiệt vào và trộn đều. Thích hợp cho sản xuất hàng loạt, có độ phân tán tốt hơn so với máy nghiền hở. Nhiều công thức được cấp bằng sáng chế của chất chịu nhiệt oxit tổng hợp sử dụng quy trình này. Cao su silicon lỏng (LSR): Thêm trực tiếp vào keo A/B và khuấy cho đến khi đồng nhất. Các chất chịu nhiệt hữu cơ (loại lỏng) phù hợp nhất với LSR, với lượng bổ sung từ 0,5%–3%. Đây là quy trình đơn giản nhất nhưng phải chú ý khử khí sau khi khuấy để tránh tạo bọt ảnh hưởng đến mật độ của sản phẩm. Loại bột oxit kim loại cần có hạt nhựa phân tán trước khi thêm vào, nếu không sẽ dễ bị lắng đọng.

Lời nhắc chính: Cao su silicon chịu nhiệt-phải trải qua quá trình xử lý thứ cấp (thường là 200 độ × 4 giờ) để loại bỏ các chất có trọng lượng-phân tử-thấp và kích hoạt hoàn toàn chất chịu nhiệt để đạt được khả năng chịu nhiệt tối ưu. Sản phẩm không được xử lý thứ cấp sẽ có khả năng chịu nhiệt giảm đáng kể. Ngoài ra, tránh sử dụng các tạp chất kim loại như đồng và mangan, chúng thúc đẩy quá trình oxy hóa nhiệt và sẽ đẩy nhanh quá trình lão hóa nhiệt của cao su silicon.

05 Thông số chính: Khi chọn chất chịu nhiệt, hãy chú ý đến năm chỉ số chính sau:

① Nhiệt độ kháng nhiệt lâu dài – chỉ báo cốt lõi. Cao su silicon thông thường có thể chịu được nhiệt độ lên tới 200 độ. Thêm 2-5 phần oxit sắt đỏ có thể đạt tới 250 độ; hợp chất oxit sắt + xeri có thể đạt tới 250-280 độ; chất chịu nhiệt đất hiếm/organosilicon có thể đạt tới 280-300 độ; và cao su silicon phenyl + chất chịu nhiệt có thể đạt tới 300-350 độ. Thử nghiệm thường được thực hiện theo thử nghiệm lão hóa không khí nóng (GB/T 3512), đo tốc độ duy trì các đặc tính cơ học sau 250 độ × 72h hoặc 225 độ × 500h.

② Tốc độ duy trì các đặc tính cơ học sau quá trình lão hóa do nhiệt-có ý nghĩa thực tế hơn là chỉ đo khả năng chịu nhiệt độ. Chất chịu nhiệt-chất lượng cao phải giữ được Độ bền kéo lớn hơn hoặc bằng 60% và Độ giãn dài lớn hơn hoặc bằng 50% khi đứt sau 250 độ ×72h. Oxit sắt thông thường màu đỏ giữ lại khoảng 49,4% độ bền kéo và dưới 80% độ giãn dài khi đứt sau 225 độ × 500h.

③ Nhiệt độ phân hủy ban đầu TGA-chỉ số phân tích bằng phương pháp đo nhiệt trọng lượng phản ánh nhiệt độ tại đó vật liệu bắt đầu phân hủy. HPCS > 450 độ, oxit sắt-pha tạp TiO₂ khoảng 420 độ, masterbatch xeri hydroxit khoảng 400 độ, chất lỏng polysiloxan tiêu chuẩn khoảng 380 độ. Nhiệt độ TGA càng cao thì khả năng chịu nhiệt càng lớn.

④ Liều lượng – Ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành và tính chất vật lý. Oxit sắt đỏ 2-5 phần, cerium dioxide 0,5-4 phần, HPCS 0,5%-3%, cerium hydroxit masterbatch 5%-10%, TiO₂ pha tạp oxit sắt 2%-5%, nanocompozit loại 1-3 phần. Liều lượng quá thấp sẽ dẫn đến khả năng chịu nhiệt không đủ, trong khi liều lượng quá cao sẽ ảnh hưởng đến tính chất cơ học, làm tăng chi phí và có thể dẫn đến khó phân tán.

⑤ Ảnh hưởng của màu sắc – Thường bị bỏ qua nhưng rất quan trọng. Oxit sắt có màu đỏ làm sản phẩm có màu đỏ/nâu, cerium dioxide có màu vàng nhạt, oxit coban có màu xám-đen và các loại organosilicon và nanocompozit hầu như không ảnh hưởng đến màu sắc. Chỉ có thể chọn các sản phẩm trong suốt hoặc có màu sáng-từ loại organosilicon hoặc loại nanocomposite được xử lý-bề mặt.

06 Cảnh quan ứng dụng

Phương tiện sử dụng năng lượng mới (41,2%) – Miếng đệm bộ pin, cách điện-cáp cao áp, miếng đệm hệ thống quản lý nhiệt. Vào năm 2025, mức tiêu thụ chất-chịu nhiệt được sử dụng trong miếng đệm gói pin xe năng lượng mới đạt 1980 tấn, mức tăng-so với-năm là 28,9%, khiến đây trở thành thị trường hạ nguồn lớn nhất. Các yêu cầu bao gồm khả năng chịu nhiệt độ lâu dài ở mức 200-250 độ, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về khả năng chống cháy và VOC thấp.

Quang điện (28,5%) – Chất kết dính khung quang điện, hợp chất bầu hộp nối. Việc tiếp xúc ngoài trời với ánh nắng-trong thời gian dài và chênh lệch nhiệt độ lớn đòi hỏi cả khả năng chịu nhiệt và chịu thời tiết.

Điện tử tiêu dùng (15,7%) - Liên kết màn hình điện thoại thông minh và bảo vệ linh kiện bên trong (khoảng 0,005 kg mỗi điện thoại), phớt máy nén thiết bị gia dụng và bảo vệ bảng mạch (khoảng 2500 tấn vào năm 2024). Các yêu cầu bao gồm vật liệu có màu sáng hoặc trong suốt, chủ yếu là chất chịu nhiệt-dựa trên silicone.

Cảm biến công nghiệp (9,3%) – Vòng đệm cảm biến nhiệt độ-cao, yêu cầu độ ổn định-lâu dài.

Silicon-y tế cấp (5,3%) – Yêu cầu chứng nhận FDA/ISO 10993 và chất chịu nhiệt-có độ tinh khiết cao.

Hàng không vũ trụ - Con dấu máy bay và tên lửa, hệ thống niêm phong cửa tàu vũ trụ; chất chịu nhiệt-đặc biệt được sử dụng: 312 tấn, tăng 22,4% so với năm trước-so với-năm; đòi hỏi khả năng chịu nhiệt độ cực cao trên 300 độ; chủ yếu là các hợp chất đất hiếm và organosilicon.

Các lĩnh vực truyền thống khác – Các bộ phận dập nóng công nghiệp (tấm dập nóng, con lăn dập nóng, bánh xe dập nóng), khuôn hợp kim-nóng chảy{1}}có điểm thấp (khuôn trang sức bằng hợp kim chì, thiếc, kẽm), chảo nướng/đồ dùng nhà bếp bằng silicon chịu nhiệt-, dây và cáp, ống mềm, con lăn cao su, tấm silicon ép, chất cách điện silicon, tấm silicon dẫn nhiệt, vòng đệm, v.v.

07 Sự cố thường gặp và Hướng dẫn khắc phục sự cố
Sáu vấn đề thường gặp nhất trong hội thảo và hướng dẫn khắc phục sự cố:

Vấn đề

Gây ra

Giải pháp

Chịu nhiệt độ không đủ/Cứng và nứt sau nhiệt độ cao

Bổ sung không đủ, phân tán không đều, thiếu lưu hóa thứ cấp, loại chất chịu nhiệt không đúng

Tăng số lượng bổ sung; kéo dài thời gian trộn để đảm bảo độ phân tán; lưu hóa thứ cấp ở 200 độ × 4h là bắt buộc; thay thế bằng các chất đất hiếm hoặc organosilicon trên 250 độ

Sản phẩm chuyển sang màu đỏ/nâu/màu không khớp

Sử dụng các chất tạo màu chịu nhiệt như oxit sắt đỏ hoặc oxit coban

Thay thế bằng cerium dioxide (màu vàng nhạt) hoặc organosilicon (trong suốt/không màu); ưu tiên các chất chịu nhiệt organosilicon cho các sản phẩm-có màu sáng

Giảm độ trong suốt/Mờ ám

Chỉ số khúc xạ không khớp giữa chất độn oxit kim loại và silica gel, độ phân tán kém

Thay thế bằng chất chịu nhiệt gốc silicon-organosilicon (HPCS hoặc loại hữu cơ lỏng); loại nano-yêu cầu xử lý bề mặt trước khi sử dụng.

Lưu hóa không hoàn chỉnh/không-lưu hóa

Các thành phần chứa ion kim loại hoặc lưu huỳnh-, phốt pho- và nitơ- trong chất chịu nhiệt gây độc cho chất xúc tác bạch kim.

Thay thế hệ thống bạch kim bằng chất chịu nhiệt-dựa trên organosilicon; đối với hệ thống peroxit, xác nhận rằng chất chịu nhiệt không tiêu thụ peroxit; tiến hành thử nghiệm-quy mô nhỏ trước.

Tính chất cơ học giảm/độ bền kéo thấp

Excessive heat resistant agent addition (>10 phần), chất độn kết tụ.

Giảm lượng bổ sung; chuyển sang loại nano{0}}composite (lượng bổ sung thấp, hiệu quả cao); tối ưu hóa quá trình phân tán (ba-máy nghiền cuộn/cắt cao).

Bộ nén lớn

Mật độ liên kết ngang không đủ, tác nhân chịu nhiệt ảnh hưởng đến liên kết ngang.

Thêm chất hỗ trợ liên kết ngang TAIC vào hệ thống peroxide (gấp 1,5-2 lần peroxide); tối ưu hóa quá trình lưu hóa thứ cấp.

08 Điểm lựa chọn: Sáu-Khung quyết định câu hỏi
Khi lựa chọn chất chịu nhiệt, trước tiên hãy hỏi sáu câu hỏi:

① Khả năng chịu nhiệt độ mục tiêu là gì? ① **Đối với nhiệt độ trong khoảng 200-250 độ :** Chọn oxit sắt màu đỏ (hiệu quả chi phí-cao nhất); đối với 250-280 độ, chọn hợp chất oxit sắt + xeri hoặc loại hỗn hợp nano; ở 280-300 độ, chọn hợp chất đất hiếm hoặc hợp chất organosilicon (HPCS); trên 300 độ, cần có sự kết hợp giữa cao su silicon phenyl và chất chịu nhiệt.

② **Yêu cầu về màu sắc và độ trong suốt:** Đối với các sản phẩm có màu đỏ/sậm, màu đỏ oxit sắt là tiết kiệm nhất; đối với các sản phẩm nhẹ/bán trong suốt, hãy chọn loại cerium dioxide hoặc nano-; đối với các sản phẩm hoàn toàn trong suốt, chỉ các hợp chất organosilicon (HPCS hoặc chất chịu nhiệt hữu cơ dạng lỏng) mới phù hợp.

③ **Sử dụng dài hạn-hoặc ngắn hạn-:** Để sử dụng liên tục trong thời gian dài- (hàng nghìn giờ), cần có khả năng duy trì cao các đặc tính cơ học sau khi lão hóa do nhiệt, vì vậy, nên sử dụng các hợp chất đất hiếm hoặc organosilicon; đối với việc sử dụng không liên tục trong thời gian ngắn-, oxit sắt đỏ là đủ.

④ **Hệ thống lưu hóa nào:** Hệ thống peroxide có khả năng tương thích rộng nhất và có thể sử dụng hầu hết các chất chịu nhiệt; hệ thống bạch kim phải tránh các ion lưu huỳnh, phốt pho, nitơ và kim loại gây cản trở bạch kim và các hợp chất organosilicon được ưu tiên; hệ thống lưu hóa kép được sử dụng để chịu nhiệt độ cực cao của cao su silicon phenyl.

⑤ **Quy trình nào:** Tất cả các loại hỗn hợp cao su có thể được trộn bằng cách sử dụng máy nghiền/máy nhào mở; đối với LSR, ưu tiên sử dụng các chất chịu nhiệt-hữu cơ dạng lỏng hoặc-các hạt nhựa được phân tán trước; lưu ý rằng lưu hóa thứ cấp là cần thiết để kích hoạt hiệu ứng chịu nhiệt.

⑥ Có yêu cầu chứng nhận nào không? Các ứng dụng y tế yêu cầu khả năng tương thích sinh học của FDA/ISO 10993; các ứng dụng tiếp xúc với thực phẩm yêu cầu LFGB/FDA; các ứng dụng điện tử yêu cầu tuân thủ RoHS/REACH và VOC thấp (chọn hệ thống TiO₂+Fe₂O₃ có thể giảm VOC từ 60%–80%); các ứng dụng ô tô yêu cầu tuân thủ các tiêu chuẩn OEM.

Khi sáu câu hỏi này được làm rõ, hướng lựa chọn sẽ được xác định. Đối với những điều chỉnh còn lại về liều lượng và tối ưu hóa quy trình, nhóm kỹ thuật Yaneng có thể hỗ trợ thử nghiệm mẫu.