研究蔣頌波1,王云英1,孟江燕1,王運平2(1.南昌航空大學材料科學與工程學院,江西南昌330063;2.西安航空動力控制有限公司橡膠塑料分廠,陜西西安710079)
[作者簡介]蔣頌波(1983-),男,湖南瀏陽人,碩士,主要從事膠粘劑及高分子材料改性方面的研究工作。
0 引 言
室溫硫化硅橡膠具有優異的耐高低溫、耐候、耐臭氧、抗電弧、電氣絕緣性、耐化學品、高透氣性及生理惰性,因而在航空、宇航、電氣電子、化工儀表、汽車、機械等工業以及醫療衛生、日常生活的各個領域得到了廣泛的應用[1]。但其力學性能較差,限制了它的推廣應用,據資料報道[ 1-5]:通常采用加入表面改性后的白炭黑對其進行增強改性。
白炭黑的表面改性是利用一定的化學物質通過一定的工藝方法使白炭黑的表面羥基與化學物質發生反應,降低表面羥基數量,使產品由親水變為疏水,減少團聚,增大其在聚合物中的分散性[2-4]。常用的表面改性劑有氯硅烷類、硅烷偶聯劑類、硅氧烷類化合物、醇類等[5]。偶聯劑乙烯基三乙氧基硅烷偶聯劑(A-151)改性納米二氧化硅能夠實現納米二氧化硅表面改性,并能改善納米二氧化硅與硫化丁基膠相容性,提高丁基膠的力學性能[6]。H.Barthel[7]用二甲基甲氧基硅烷改性納米二氧化硅的表面,其改性效果比三甲基甲氧基硅烷改性好,研究表明氣體吸附的數據揭露了微粒之間的相互作用是由聚合物在硅烷化時相互滲透作用形成的。Mathieu Etienne等[8]用氨基硅烷偶聯劑(APS)改性納米二氧化硅。把APS和納米SiO2分散在甲苯中回流攪拌2h,然后高溫固化2h,增加了接枝層的厚度,提高了復合材料的交聯度。
本試驗采用偶聯劑作為改性劑, 120#溶劑油為溶劑,主要研究不同的處理工藝對M-5氣相白炭黑疏水性的影響及處理后氣相白炭黑對室溫硫化硅橡膠力學強度的影響。
1 試 驗
1.1 原材料
試驗所用主要原材料見表1。
1.2 偶聯劑處理白炭黑將偶聯劑按一定比例加入到120#溶劑油中,調節pH值3~5, 10min后按一定比例加入氣相白炭黑,然后將混合液倒入三口瓶。升溫至80℃,攪拌反應3h后出料,過濾烘干。
1.3 制作試樣
氣相白炭黑經硅烷偶聯劑處理后,在高速攪拌機作用下加入到107#液體硅橡膠中,得到補強的混合膠液。混合膠加入交聯劑正硅酸乙酯、催化劑二月桂酸二丁基錫,室溫下攪拌使其硫化,抽真空制作試樣。
1.4 測試
表面處理前后的白炭黑FT-IR紅外測試:日本島津(Shi-madzu)IRPrestige-21紅外光譜儀。
表面處理白炭黑的疏水性測定:白炭黑的疏水性用甲醇的滴定用量來表示,即至95%以上的白炭黑沉入水中時甲醇滴定量即為甲醇用量。
粘接強度按GB11211-89(硫化橡膠與金屬粘合強度的測定拉伸法)測試。
拉伸強度按GB528-82(硫化橡膠拉伸性能的測定)測試。
硬度按GB13531-76(橡膠邵氏A型硬度試驗方法)測試。
2 結果與討論
2.1 紅外測試結果
白炭黑表面處理前后的紅外分析結果見圖1。
紅外吸收峰波數及對應的基團如表2所示。
2.2 偶聯劑類型和用量對白炭黑疏水性的影響
不同偶聯劑處理后白炭黑的疏水性測試結果見表3。
由表3可知:未表面處理的白炭黑加入到水中就可直接與水相溶,說明白炭黑親水。處理后的白炭黑均需滴入甲醇才能溶解,這說明經過表面處理的白炭黑表面顯示更強的非極性,白炭黑表面接枝上了有機基團,呈疏水狀態,同樣用量的處理劑,乙烯基三甲氧基硅烷(A171)效果最好,γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH570)效果次之,γ-環氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷(KH560)效果最差,這應該是與硅烷偶聯劑的性能有關,A171對填料的可潤濕面積最大,達到526m2/g,它更容易吸附到白炭黑表面,與白炭黑表面的羥基反應,接枝改性效果好。疏水性測試結果與紅外分析結果吻合。
采用A171為處理劑,研究不同用量A171對白炭黑疏水性的影響,結果如圖2。
由圖2可知:隨著偶聯劑A171用量的增加,甲醇耗量迅速增大,氣相白炭黑的疏水性變強。在A171用量達到10%以后,氣相白炭黑的疏水性隨偶聯劑A171用量增加而變強的趨勢在減緩。A171用量達到25%后,疏水性增強。其后隨著偶聯劑A171用量的增大,甲醇耗量呈增多趨勢。
2.3 偶聯劑類型和用量對硅橡膠力學性能的影響
本試驗采用了不同類型的偶聯劑處理白炭黑,以及通過改變偶聯劑的用量對白炭黑進行處理,處理后作為增強填料制備了室溫硫化硅橡膠,硅橡膠的力學性能測試結果見表4。
由表4可知,加入白炭黑后,硅橡膠力學強度明顯提高。加入表面處理后的白炭黑的室溫硫化硅橡膠的拉伸強度、扯斷伸長率、硬度等力學性能均有較大幅提高。拉伸強度和扯斷伸長率隨處理后的白炭黑的加入量增加而增大,說明偶聯劑處理后白炭黑的補強效果好。其中加入A171處理后的白炭黑的室溫硫化硅橡膠的力學性能最好,這與前述的疏水性能的結果比較吻合,說明A171處理后的白炭黑與液體硅橡膠107膠的相容性最好。加入15%A171處理的白炭黑用量15%的RTV硅橡膠硫化后拉伸強度最大能達到1. 5MPa,由其配制的膠粘劑對金屬與硅橡膠板的粘接強度達到1. 3MPa。
當白炭黑加入量為15%時,探討白炭黑處理劑(A171)用量對硅橡膠拉伸性能的影響,結果如圖3。
由圖3可見:隨偶聯劑A171處理白炭黑用量增加,拉伸強度先升后降。當A171用量小于15%時,硅橡膠拉伸強度隨偶聯劑用量的增加而增大,原因是隨偶聯劑用量增大,接枝到白炭黑表面羥基的偶聯劑越多,處理后的白炭黑與液體硅橡膠107膠的相容性變好,補強效果越明顯。當A171用量大于20%后,硅橡膠拉伸強度逐漸減低,這可能是由于偶聯劑的用量越多,白炭黑表面的羥基與偶聯劑分子反應的越多,與聚硅氧烷分子形成氫鍵的白炭黑表面羥基數減少,從而使得分子間化學鍵鍵合力減小,拉伸強度隨之降低。A171用量為白炭黑質量15%時,硅橡膠拉伸強度最大達到1. 5MPa。
3 結 論
1)紅外測試結果表明,偶聯劑處理白炭黑都能使白炭黑表面接枝上偶聯劑基團。疏水率測試結果表明,A171處理白炭黑效果最好。
2)隨著處理后的白炭黑加入量的增大,硅橡膠的力學性能均有所提高,由其配制的膠粘劑對金屬與硅橡膠的粘接性能也有所提高。
3)隨著處理白炭黑的偶聯劑A171用量的增大,其拉伸強度先升后降,A171用量為白炭黑質量15%時,拉伸強度最大可達到1. 5MPa,由其配制的膠粘劑對鋁-硅橡膠板的粘接強度達到1. 3MPa。
[參考文獻]
[1] 段先健,吳利民.氣相法白炭黑在硅橡膠中的應用[J].有機硅氟資訊, 2005, 43(7): 39-41
[2] 于欣偉,陳姚.白炭黑的表面改性技術[J].廣州大學學報(自然科學版), 2002, 1(6): 12-16
