Το καουτσούκ σιλικόνης (όπως το βουλκανισμένο καουτσούκ σιλικόνης υψηλής θερμοκρασίας, το βουλκανισμένο καουτσούκ σιλικόνης σε θερμοκρασία δωματίου{{1} και το υγρό καουτσούκ) χρησιμοποιείται ευρέως στις ηλεκτρονικές συσκευασίες, στη σφράγιση αεροσκαφών και στην κατασκευή αυτοκινήτων λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων του, συμπεριλαμβανομένης της αντοχής στις καιρικές συνθήκες, των υψηλών ηλεκτρικών και χαμηλών θερμοκρασιών. Ωστόσο, σε θερμοκρασίες 250 μοιρών και άνω, το καουτσούκ σιλικόνης είναι ευαίσθητο σε θερμική οξειδωτική αποικοδόμηση, οδηγώντας σε θραύση της αλυσίδας πολυμερούς και απόρριψη της ομάδας κρεμαστό. Αυτό συνοδεύεται από την εξάτμιση μικρών μορίων και την καταστροφή δομών διασταυρούμενης-σύνδεσης, με αποτέλεσμα την απώλεια βάρους και τις μειωμένες μηχανικές ιδιότητες, περιορίζοντας σοβαρά τη διάρκεια ζωής του υπό ακραίες συνθήκες λειτουργίας. Η βελτίωση της σταθερότητας του καουτσούκ σιλικόνης σε υψηλές-θερμοκρασίες έχει γίνει ένα καυτό θέμα στον τομέα της έρευνας υλικών.
Το νανο-διοξείδιο του τιτανίου (TiO2) έχει τη δυνατότητα να χρησιμεύσει ως λειτουργικό πρόσθετο και πληρωτικό σε καουτσούκ σιλικόνης λόγω της θερμικής σταθερότητας, της χημικής αδράνειας και του νανο-αποτελέσματός του. Μεταξύ αυτών, το νανο-διοξείδιο του τιτανίου NT-50, που παρασκευάζεται με τη μέθοδο ατμιστικής φάσης, έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής στο καουτσούκ σιλικόνης λόγω του μικρού μεγέθους σωματιδίων, της καλής διασποράς και της υψηλής επιφανειακής δραστηριότητας.
Οι τεχνικοί επέλεξαν τρία τυπικά λάστιχα σιλικόνης: υψηλή-θερμοκρασία, θερμοκρασία δωματίου- και υγρό. Ετοίμασαν πειραματικά δείγματα με προσθήκη 1,5% NT-50 και τυφλά δείγματα χωρίς νανο-TiO2. Όλα τα δείγματα αποθηκεύτηκαν σε θερμότητα στους 250 βαθμούς και ζυγίστηκαν περιοδικά. Υπολογίστηκε η διατήρηση βάρους (κατακράτηση βάρους=βάρος μετά την αποθήκευση θερμότητας / αρχικό βάρος × 100%) και κατασκευάστηκε μια καμπύλη που απεικονίζει τη διατήρηση βάρους έναντι των ημερών αποθήκευσης θερμότητας.
Στην καμπύλη διατήρησης βάρους του καουτσούκ σιλικόνης χωρίς NT-50, το καουτσούκ σε θερμοκρασία δωματίου είχε απώλεια βάρους μεγαλύτερη από 40% μετά από 7 ημέρες και η ένωση του καουτσούκ είχε κονιοποιηθεί, οπότε το πείραμα τερματίστηκε. Ωστόσο, το καουτσούκ υψηλής θερμοκρασίας και το υγρό καουτσούκ είχαν απώλεια βάρους 50% μετά από 21 ημέρες και η ένωση του καουτσούκ είχε κονιοποιηθεί, οπότε το πείραμα τερματίστηκε.
Στην καμπύλη διατήρησης βάρους για καουτσούκ σιλικόνης που περιέχει 1,5% NT-50, η απώλεια βάρους των ελαστικών θερμοκρασίας δωματίου, υψηλής θερμοκρασίας και υγρής σιλικόνης ήταν μικρότερη από 5% μετά από 7 ημέρες και ακόμη και μετά από 60 ημέρες δεν ξεπέρασε το 15%. Η διατήρηση βάρους και των τριών τύπων καουτσούκ σιλικόνης παρέμεινε πάνω από 85% κατά τη διάρκεια της περιόδου των 60 ημερών, αποδεικνύοντας ότι η προσθήκη NT-50 ανέστειλε αποτελεσματικά τη θερμική οξειδωτική αποικοδόμηση και βελτίωσε σημαντικά τη σταθερότητα του ελαστικού σιλικόνης σε υψηλή θερμοκρασία.
Το NT-50 βελτιώνει τη σταθερότητα του καουτσούκ σιλικόνης σε υψηλή θερμοκρασία με τρεις βασικούς τρόπους:
Φυσικό φαινόμενο φραγμού: Τα σωματίδια Nano-TiO2 σχηματίζουν ένα πυκνό δίκτυο εντός της μήτρας από καουτσούκ σιλικόνης, το οποίο, αφενός, εμποδίζει τη διείσδυση επιθετικών μέσων όπως το οξυγόνο και οι υδρατμοί, μειώνοντας τις αντιδράσεις θερμικής οξείδωσης. Από την άλλη πλευρά, αναστέλλει την εξάτμιση των μικρών μορίων που παράγονται από τη θερμική αποσύνθεση του καουτσούκ σιλικόνης, μειώνοντας έτσι την απώλεια βάρους.
Σύλληψη ελεύθερων ριζών: Ως υλικό ημιαγωγών, τα επιφανειακά ζεύγη ηλεκτρονίων του νανο-TiO2 συλλαμβάνουν ελεύθερες ρίζες που δημιουργούνται από θερμική αποικοδόμηση, τερματίζοντας την αλυσιδωτή αντίδραση ελεύθερων ριζών και αναστέλλοντας θεμελιωδώς την οξειδωτική αποικοδόμηση του υλικού.
Βελτιστοποιημένη θερμική αγωγιμότητα: Η υψηλή θερμική αγωγιμότητα του νανο-TiO2 βελτιώνει την ομοιομορφία της θερμικής κατανομής στο καουτσούκ σιλικόνης, μειώνοντας την επιταχυνόμενη υποβάθμιση που προκαλείται από τοπική υπερθέρμανση, επιτρέποντας πιο αποτελεσματική απαγωγή θερμότητας και επιβραδύνοντας τη συνολική διαδικασία θερμικής γήρανσης.
Το νανο-διοξείδιο του τιτανίου NT-50 αναστέλλει αποτελεσματικά τη θερμική οξειδωτική αποικοδόμηση του καουτσούκ σιλικόνης σε υψηλές θερμοκρασίες, παρέχοντας μια βιώσιμη λύση για την παράταση της διάρκειας ζωής του σε ακραία περιβάλλοντα. Από τη σκοπιά της βιομηχανικής εφαρμογής, το καουτσούκ σιλικόνης που περιέχει NT-50 μπορεί να επεκταθεί περαιτέρω σε περιοχές που απαιτούν αυστηρή αντίσταση σε υψηλές-θερμοκρασίες, όπως σφράγιση κινητήρα αεροσκαφών, νέα ενεργειακή συσκευασία μπαταριών οχημάτων και απαγωγή θερμότητας σε ηλεκτρονικό εξοπλισμό υψηλής ποιότητας. Αυτό αντιμετωπίζει το σημείο πόνου της «ευαισθησίας του παραδοσιακού καουτσούκ σιλικόνης στη γήρανση σε υψηλή-θερμοκρασία», δημιουργώντας δυνητικά ένα πιο αποτελεσματικό σύστημα θερμικής σταθερότητας και προωθώντας την αναβάθμιση των υλικών από καουτσούκ σιλικόνης προς υψηλότερες{10}} ιδιότητες, πιο αξιόπιστες και μακροχρόνιες, παρέχοντας βασική υποστήριξη υλικού για την ανάπτυξη κατασκευής υψηλών προδιαγραφών.
