Cao su silicon (chẳng hạn như cao su silicon lưu hóa ở nhiệt độ-cao, cao su silicon lưu hóa ở nhiệt độ phòng- và cao su lỏng) được sử dụng rộng rãi trong bao bì điện tử, niêm phong hàng không và sản xuất ô tô do các đặc tính tuyệt vời của nó, bao gồm khả năng chống chịu thời tiết, cách điện cũng như khả năng chịu nhiệt độ-cao và thấp. Tuy nhiên, ở nhiệt độ từ 250 độ trở lên, cao su silicon dễ bị phân hủy do oxy hóa nhiệt, dẫn đến đứt chuỗi polymer và bong nhóm mặt dây chuyền. Điều này đi kèm với sự bay hơi của các phân tử nhỏ và sự phá hủy các cấu trúc liên kết chéo, dẫn đến giảm trọng lượng và giảm tính chất cơ học, hạn chế nghiêm trọng tuổi thọ sử dụng của nó trong các điều kiện vận hành khắc nghiệt. Cải thiện-độ ổn định nhiệt độ cao của cao su silicon đã trở thành chủ đề nóng trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu.
Nano-titan dioxide (TiO₂) có khả năng đóng vai trò là chất phụ gia và chất độn chức năng trong cao su silicon do tính ổn định nhiệt, tính trơ hóa học và hiệu ứng nano{1}}. Trong số đó, nano-titan dioxide NT-50, được điều chế bằng phương pháp pha hơi, có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong cao su silicon do kích thước hạt nhỏ, khả năng phân tán tốt và hoạt động bề mặt cao.
Các kỹ thuật viên đã chọn ba loại cao su silicon điển hình: nhiệt độ-cao, nhiệt độ phòng- và chất lỏng. Họ đã chuẩn bị các mẫu thử nghiệm có thêm 1,5% NT{5}}50 và các mẫu trắng không có nano-TiO₂. Tất cả các mẫu được bảo quản ở nhiệt độ 250 độ và được cân định kỳ. Việc duy trì trọng lượng đã được tính toán (lưu giữ trọng lượng=trọng lượng sau khi bảo quản nhiệt / trọng lượng ban đầu × 100%) và lập đường cong vẽ biểu đồ duy trì trọng lượng so với số ngày lưu trữ nhiệt.
Trong đường cong duy trì trọng lượng của cao su silicon không có NT-50, cao su ở nhiệt độ phòng đã giảm trọng lượng hơn 40% sau 7 ngày và hợp chất cao su đã bị nghiền thành bột nên thí nghiệm đã chấm dứt. Tuy nhiên, cao su ở nhiệt độ cao và cao su lỏng đã giảm trọng lượng 50% sau 21 ngày và hợp chất cao su đã bị nghiền thành bột nên thí nghiệm đã bị chấm dứt.
Trong đường cong duy trì trọng lượng của cao su silicon chứa 1,5% NT{10}}50, mức giảm trọng lượng của cao su silicon lỏng ở nhiệt độ phòng, nhiệt độ cao và lỏng là dưới 5% sau 7 ngày và thậm chí sau 60 ngày, tỷ lệ này không vượt quá 15%. Khả năng giữ trọng lượng của cả ba loại cao su silicon vẫn ở mức trên 85% trong thời gian 60 ngày, chứng tỏ rằng việc bổ sung NT-50 đã ức chế hiệu quả sự phân hủy oxy hóa nhiệt và cải thiện đáng kể độ ổn định ở nhiệt độ cao của cao su silicon.
NT{1}}50 cải thiện độ ổn định ở nhiệt độ cao của cao su silicon theo ba cách chính:
Hiệu ứng rào cản vật lý: Các hạt Nano-TiO₂ tạo thành một mạng lưới dày đặc bên trong ma trận cao su silicon, một mặt ngăn chặn sự xâm nhập của các môi trường có tính ăn mòn như oxy và hơi nước, làm giảm phản ứng oxy hóa nhiệt; mặt khác, nó ức chế sự bay hơi của các phân tử nhỏ được tạo ra bởi sự phân hủy nhiệt của cao su silicon, do đó làm giảm sự giảm cân.
Thu giữ gốc tự do: Là một vật liệu bán dẫn, các cặp electron bề mặt của nano-TiO₂ thu giữ các gốc tự do được tạo ra do sự phân hủy nhiệt, chấm dứt phản ứng chuỗi gốc tự do và ức chế cơ bản sự phân hủy oxy hóa của vật liệu.
Độ dẫn nhiệt được tối ưu hóa: Độ dẫn nhiệt cao của nano-TiO₂ cải thiện tính đồng nhất của sự phân bổ nhiệt trong cao su silicon, giảm sự xuống cấp nhanh chóng do quá nhiệt cục bộ, cho phép tản nhiệt hiệu quả hơn và làm chậm quá trình lão hóa nhiệt tổng thể.
Nano-titanium dioxide NT{4}}50 ức chế hiệu quả quá trình phân hủy oxy hóa nhiệt của cao su silicon ở nhiệt độ cao, mang lại giải pháp khả thi để kéo dài tuổi thọ sử dụng của cao su trong môi trường khắc nghiệt. Từ góc độ ứng dụng trong ngành, cao su silicone chứa NT{5}}50 có thể được mở rộng hơn nữa sang các lĩnh vực yêu cầu khả năng chịu nhiệt độ-cao nghiêm ngặt, chẳng hạn như niêm phong động cơ máy bay, đóng gói pin xe năng lượng mới và tản nhiệt trong thiết bị điện tử-cao cấp. Điều này giải quyết điểm yếu là "dễ bị lão hóa ở nhiệt độ cao" của cao su silicon truyền thống, có khả năng tạo ra hệ thống ổn định nhiệt hiệu quả hơn và thúc đẩy việc nâng cấp vật liệu cao su silicon theo hướng có đặc tính nhiệt độ{10}cao hơn, đáng tin cậy hơn và lâu dài hơn, cung cấp hỗ trợ vật liệu quan trọng cho sự phát triển của ngành sản xuất cao cấp.
