Page 90 - 《橡塑技术与装备》2023年10期

橡塑技术与装备 CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT

弹性硅胶选材及其有限元分析选型

张杰，张弘，常师闻
( 沈阳宝顺安安全设备有限公司，辽宁 沈阳 110000)

摘要 ： 基于橡胶弹性理论总结了弹性硅胶的选材方法，结合工程中常用的 50 度和 60 度硅胶的单轴拉伸实验数据，做出采用
不同弹性理论模型时的应力应变曲线，并比较硅胶单轴拉伸实验的应力应变曲线和理论应力应变曲线的差异，从而得出常见弹性
力学理论模型对于硅胶的适用情况。对硅胶材料及不同弹性模型下应力应变性能的研究，为硅胶材料的选择以及产品有限元分析
时材料弹性模型的选择提供了指导作用。
关键词 ： 硅胶 ；弹性理论 ；应力应变 ；有限元分析
中图分类号 ： TQ330.73 文章编号 ： 1009-797X(2023)10-0042-05
文献标识码 ： B DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2023.10.010

通过橡胶弹性热力学分析可知橡胶拉伸时，内能 加出现最大值。交联密度提高，聚合物逐渐变硬。适
几乎不变，而主要引起熵的变化。在外力作用下，橡 度交联可以提高硅胶弹性。另外分子量大及分子量分
胶分子链由原来蜷曲状态变为伸展状态 ，熵值由大变 布窄的橡胶弹性好。但分子量太大，加工过程会比较
小，终态是一种不稳定的体系，当外力除去后，就会 困难。下面以目前大力发展的加成型液态硅胶为例，
自发的回复到初态。这就说明了高弹性主要是由橡胶 分析生产中弹性硅胶材料配方的选择。
内部熵的贡献 [1] 。热力学分析给出了宏观物理量之间 加成型液态硅胶是由含乙烯基的聚有机硅氧烷做
的关系，利用高分子链的构象统计理论，可以通过微 基础聚合物，含 Si—H 键的聚有机硅氧烷做交联剂，
观的结构参数求得高分子链熵值的定量表达式，进而 在铂催化剂存在下，在室温或加热下可交联硫化的一
导出宏观应力 - 应变关系。工程中有限元分析常用唯 类有机材料。反应方程式 [2] 示意如下 ：
象理论模型，唯象理论可以通过修改储能函数的形式 ≡Si—CH=CH 2 +≡Si—H→≡SiCH 2 CH 2 Si≡
使之能说明实验结果。 加成型液体硅胶的主要成分为基础聚合物、交联
硅胶因其优异的综合性能和良好的技术经济效 剂、催化剂、反应抑制剂，补强填料剂添加剂等。液
果，已在航空、宇航、电气、电子、电器、化工、仪 体硅胶有柔性长链，在适度交联后具有良好的弹性。
表、汽车、机械等工业以及医疗卫生、日常生活各个 1.1 加成型液体硅胶的基础聚合物的选择
领域中获得广泛的应用。通过了解橡胶弹性与大分子 乙烯基聚硅氧烷的结构通式 [3] 如下 ：
结构的关系有利于工程中加硅胶材料的选择。通过对 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3
硅胶实验测得的应力应变关系与基于弹性理论得到的
CH =CHSiO SiO a SiO b SiCH=CH a≥0,b≥0
应力应变关系对比，可以推出橡胶弹性理论的适用情 2 2
CH CH CH=CH CH
况，以便我们在硅胶产品有限元仿真分析时选择合适 3 3 2 3
加成型液体硅胶的基础聚合物主要有下列两种 ：
的超弹性应变势能模型。
CH 3 CH 3 CH 3

1 硅胶的配方材料选择 CH =CHSiO SiO n SiCH=CH 2 n=50~2 000
2
根据橡胶弹性的热力学可知，橡胶的高弹性主要
CH 3 CH 3 CH 3
是由橡胶内部熵的贡献。硅胶高分子链柔顺性好，内
CH CH CH CH
旋转容易，弹性好。由橡胶弹性理论可知交联密度决 作者简介 ：张杰（1980-），女，高级工程师，本科现主要
3
3
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从事高分子材料（橡胶和塑料）开发及产业化研究工作。
定了可能发生高弹形变的大小。弹性随交联密度的增 CH =CHSiO SiO a SiO b SiCH=CH a│b=50~2 000
2 收稿日期 ：2023-05-10 2
CH 3 CH 3 CH=CH 2 CH 3
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