يتم استخدام مطاط السيليكون (مثل-مطاط السيليكون المعالج بالحرارة العالية، ومطاط السيليكون المعالج بالحرارة-في درجة حرارة الغرفة، والمطاط السائل) على نطاق واسع في التغليف الإلكتروني، وختم الطيران، وتصنيع السيارات نظرًا لخصائصه الممتازة، بما في ذلك مقاومة الطقس، والعزل الكهربائي، ومقاومة درجات الحرارة العالية والمنخفضة-. ومع ذلك، عند درجات حرارة 250 درجة وما فوق، يكون مطاط السيليكون عرضة للتحلل التأكسدي الحراري، مما يؤدي إلى كسر سلسلة البوليمر وتساقط مجموعة القلادة. ويصاحب ذلك تطاير الجزيئات الصغيرة وتدمير هياكل الارتباط المتقاطع، مما يؤدي إلى فقدان الوزن وانخفاض الخواص الميكانيكية، مما يحد بشكل كبير من عمر الخدمة في ظل ظروف التشغيل القاسية. أصبح تحسين -ثبات درجة الحرارة العالية لمطاط السيليكون موضوعًا ساخنًا في مجال أبحاث المواد.
يتمتع نانو- ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) بالقدرة على العمل كمواد مضافة وظيفية وحشو في مطاط السيليكون بسبب ثباته الحراري وخموله الكيميائي وتأثير النانو-. من بينها، ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي NT-50، المحضر بطريقة الطور البخاري، له آفاق تطبيق واسعة في مطاط السيليكون نظرًا لصغر حجم جسيماته، وقابلية التشتت الجيدة، والنشاط السطحي العالي.
اختار الفنيون ثلاثة أنواع من مطاط السيليكون النموذجي: -درجة الحرارة العالية، ودرجة حرارة الغرفة-، والسائل. قاموا بإعداد عينات تجريبية مع إضافة 1.5% NT-50، وعينات فارغة بدون النانو-TiO₂. تم تخزين جميع العينات بالحرارة عند درجة حرارة 250 درجة ووزنها بشكل دوري. تم حساب الاحتفاظ بالوزن (احتفاظ الوزن=الوزن بعد تخزين الحرارة / الوزن الأولي × 100%)، وتم إنشاء منحنى يرسم الاحتفاظ بالوزن مقابل أيام تخزين الحرارة.
في منحنى الاحتفاظ بالوزن لمطاط السيليكون بدون NT-50، فقد المطاط في درجة حرارة الغرفة أكثر من 40% بعد 7 أيام، وأصبح مركب المطاط مسحوقًا، لذلك تم إنهاء التجربة. ومع ذلك، انخفض وزن المطاط والمطاط السائل بدرجة الحرارة العالية بنسبة 50% بعد 21 يومًا، وأصبح مركب المطاط مسحوقًا، لذلك تم إنهاء التجربة.
في منحنى الاحتفاظ بالوزن لمطاط السيليكون الذي يحتوي على 1.5% NT-50، كان فقدان الوزن في درجة حرارة الغرفة ودرجة الحرارة المرتفعة ومطاط السيليكون السائل أقل من 5% بعد 7 أيام، وحتى بعد 60 يومًا، لم يتجاوز 15%. بقي الاحتفاظ بالوزن لجميع الأنواع الثلاثة من مطاط السيليكون أعلى من 85% على مدار فترة 60 يومًا، مما يدل على أن إضافة NT-50 تمنع بشكل فعال التدهور التأكسدي الحراري وتحسن بشكل كبير من ثبات مطاط السيليكون في درجات الحرارة العالية.
يعمل NT-50 على تحسين ثبات مطاط السيليكون في درجات الحرارة العالية بثلاث طرق رئيسية:
تأثير الحاجز المادي: تشكل جزيئات النانو-TiO₂ شبكة كثيفة داخل مصفوفة مطاط السيليكون، والتي، من ناحية، تمنع اختراق الوسائط العدوانية مثل الأكسجين وبخار الماء، مما يقلل من تفاعلات الأكسدة الحرارية؛ ومن ناحية أخرى، فإنه يمنع تطاير الجزيئات الصغيرة الناتجة عن التحلل الحراري لمطاط السيليكون، وبالتالي تقليل فقدان الوزن.
التقاط الجذور الحرة: باعتبارها مادة شبه موصلة، تلتقط أزواج الإلكترونات السطحية لـ-TiO₂ النانو الجذور الحرة الناتجة عن التحلل الحراري، مما ينهي تفاعل سلسلة الجذور الحرة ويمنع بشكل أساسي التحلل التأكسدي للمادة.
الموصلية الحرارية المُحسّنة: تعمل الموصلية الحرارية العالية لـ nano-TiO₂ على تحسين تجانس التوزيع الحراري في مطاط السيليكون، مما يقلل من التدهور المتسارع الناجم عن ارتفاع درجة الحرارة الموضعية، مما يتيح تبديد الحرارة بشكل أكثر كفاءة، ويبطئ عملية التعتيق الحراري الشاملة.
يعمل النانو-ثاني أكسيد التيتانيوم NT-50 على منع التحلل التأكسدي الحراري لمطاط السيليكون عند درجات الحرارة العالية، مما يوفر حلاً قابلاً للتطبيق لإطالة عمر الخدمة في البيئات القاسية. من منظور تطبيقات الصناعة، يمكن توسيع مطاط السيليكون الذي يحتوي على NT-50 إلى مناطق تتطلب مقاومة صارمة لدرجات الحرارة العالية-، مثل منع تسرب محركات الطائرات، وتغليف بطاريات مركبات الطاقة الجديدة، وتبديد الحرارة في -المعدات الإلكترونية المتطورة. يعالج هذا المشكلة المتمثلة في "قابلية مطاط السيليكون التقليدي للتعرض لدرجات حرارة عالية-، مما قد يؤدي إلى إنشاء نظام استقرار حراري أكثر كفاءة وتعزيز ترقية مواد مطاط السيليكون نحو درجات حرارة أعلى-وخصائص أكثر موثوقية وأطول أمدًا، مما يوفر دعمًا ماديًا رئيسيًا لتطوير التصنيع المتطور.
