有机硅发泡材料在新能源汽车中的应用性探讨

有机硅材料的主链中含有“硅-氧-硅”结构，侧链含有少量有机基团，因而它兼具有机及无机材料的双重优点，耐高低温、耐辐照和耐候（无双键，不易被紫外光和臭氧分解）、憎水、难燃、生理惰性、耐油、耐溶剂等性能，这点其他材料无可与之比拟。





有机硅橡胶发泡材料（亦称：硅胶泡棉/发泡硅胶）是以硅橡胶生胶、填料、硫化剂、发泡剂等为原料，混炼均匀后，在高温下发泡硫化制备的一种多孔、低密度、可压缩的高分子弹性体材料。现今，硅橡胶泡沫应用日益广泛，因其同时具备了硅橡胶和泡沫材料的优异性能。既具有橡胶的高弹性，又具有吸音、减震等泡沫所具有的性能，多用于减震垫、密封垫、隔音材料、绝缘材料、航空隔热材料等性能要求比较高的材料。


1. 有机硅橡胶的通性


有机硅橡胶具有很多优异的性能：


（1）耐高低温性


有机硅橡胶在高温（200℃以上）环境下，力学性能优异，且仍拥有一定的韧性与弹性。而玻璃化温度（Tg）可低至-70 ℃。一般情况下，硅橡胶工作温度为-100 ℃到 350 ℃。它可以承受数千度的瞬间高温，故常用于制作防热涂层，如航空领域。


（2）电绝缘性


有机硅橡胶绝缘性好，燃烧后，生成的二氧化硅仍然是绝缘物质。此外，硅橡胶在电弧放电时，不易焦烧，因其结构中碳原子数较少，并且其补强填料白炭黑，适用于高压场合。


（3）生理惰性


有机硅橡胶表面疏水，因此，潮湿环境下物理性能降低小。粘结性差，可以起到隔离的一个作用。而它本身无毒无味，对人体健康没有伤害，仅能与机体产生轻微反应，这也就造就了其优良的生理惰性，同时，在生理老化性能方面也十分优越。


2. 有机硅橡胶泡沫材料（发泡硅胶）的特性


硅橡胶泡沫应用日益广泛，因其同时具备了硅橡胶和泡沫材料的优异性能，既具有橡胶的高回弹性、耐老化，又具有吸声、减震等泡沫所具有的性能，多用于防水、减震、密封垫(密封等级IP68)、隔音、绝缘、航空隔热等性能要求比较高的情况。根据泡孔结构，硅橡胶泡沫分为闭孔型、开孔型及混合型三种。



图2 发泡硅胶微观结构图


闭孔发泡的有机硅发泡材料具有较好防震缓冲、隔音、隔热保温以及阻燃防爆等特性，其在汽车领域主要用于汽车车载空调用隔热泡沫管材、汽车减震、新能源汽车电池用发泡硅胶密封垫圈等。目前大多数汽车内饰材料，如地板、顶棚、方向盘、汽车座椅等均为聚氨酯类泡沫材料，这是因为一方面聚氨酯泡沫材料的技术相对成熟，性能满足使用需求；另外一方面，聚氨酯泡沫材料价格较低。然而，聚氨酯类泡沫材料耐候性能较差，易燃且燃烧过程中释放大量对人体有害的有毒气体。因此，随着发泡硅胶材料的推广以及人们对其认识的提升，未来发泡硅胶材料有望替代传统聚氨酯类发泡材料。





2.1 发泡硅胶的密度选择


有机硅橡胶基体的密度为1.17g/cm³。但通过发泡处理，当前的成熟工艺中所制备的有机硅橡胶泡沫材料的密度最低可为0.16-0.20 g/cm³，可被用于汽车座椅、头枕等部件；而常规的有机硅橡胶泡沫材料（密度为0.45 g/cm³）则被广泛用于密封、减震等部位的缝隙填充。


2.2 发泡硅胶的阻燃性能


氧指数是（oxygen index ：OI）是指在规定的条件下，材料在氧氮混合气流中进行有焰燃烧所需的最低氧浓度，它判定聚合物阻燃性能的指标之一。通常：氧指数< 22属于易燃材料；22< 氧指数< 27 属于可燃材料；氧指数> 27 属于难燃材料。


阻燃剂用量对硅橡胶氧指数的影响如图1所示。从图1可以看出, 随着阻燃剂用量的增大, 有机硅橡胶发泡材料的氧指数显著增大。未加阻燃剂的硅橡胶氧指数为28 , 加入80份阻燃剂的硅橡胶氧指数高达43。可见, 阻燃剂可以明显提高有机硅橡胶发泡材料的阻燃性能。



图3 阻燃剂的用量WT%


除氧指数外, 垂直燃烧性能也可用来表征聚合物阻燃性能。与氧指数法相比, 垂直燃烧法的燃烧模式更接近物体燃烧的实际情况, 因此能更好地反映硅橡胶的实际阻燃效果。阻燃剂用量对硅橡胶垂直燃烧性能的影响如表2所示。从表2可以看出, 未加阻燃剂的硅橡胶完全燃烧；加入40份阻燃剂的硅橡胶垂直燃烧等级达到FV-1级, 具有一定的自熄能力；加入80 份阻燃剂的硅橡胶垂直燃烧等级更是达到了FV-0级, 表现出良好的自熄性。





2.3 发泡硅胶的电绝缘性能


随着物理填料用量的增大，硅橡胶的体积电阻率和表面电阻率呈减小趋势,介电常数和介电损耗因数总体呈增大趋势。可见, 添加物理填料在一定程度上损害了硅橡胶的电绝缘性能。





3. 发泡硅胶在新能源汽车上的应用


新能源电动汽车的技术关键在于其高能量密度锂电池的充放电技术及安全性能。锂电池在使用过程中必须保持绝佳的防水防尘效果，而易发热自燃是影响其安全使用的头等难题。在暴雨、浅滩、雾 霾等极端条件下，为满足汽车行驶过程中动力电池的密封和缓冲保护的要求，特斯拉等美国车企率先将发泡硅胶这一小众材料应用到动力电池上。


例如：特斯拉model3电池PACK包为了减轻模组重量、提升安全性，大量使用有机硅发泡灌封材料来保护单个电芯。由于特斯拉在动力电池组技术方便的标杆作用，大大加速硅胶发泡材料在动力电池PACK包上的应用推广。


图4 发泡硅胶密封垫圈





图5 特斯拉电池组



同时，发泡硅胶还被广泛用于LED周围的防漏光、防尘、吸冲击、增加气密性处理；以及喇叭、音响周围的防杂音、填补空隙的处理。


图6 发泡硅胶在LED/喇叭方面的应用



[参考资料]


1. 硅橡胶泡沫复合材料的制备、性能与应用.汤龙程.杭州师范大学/有机硅化学及材料技术教育部重点实验室[J].中国材料进展.2018.(3).37

2. 有机硅泡沫材料研究进展.张茜.杭州师范大学/有机硅化学及材料技术教育部重点实验室[J].杭州师范大学学报.2016.(3).15

3. 硅橡胶泡沫材料的研究进展.王天强.成都硅宝科技[J].橡胶工业.2017.64