《橡膠技術》 20140727 李琴
二氧化硅在各自最優添加量相同的制備條件下,增強硅橡膠所表現出的力學性能。最佳添加量的純氣相二氧化硅A-200(40 phr)增強后,硅橡膠的拉伸強度為7.2 MPa,撕裂強度為17.2 MPa。在新型二氧化硅UG-SP15G對硅膠的增強效果中,二氧化硅sp15G增強后拉伸強度和撕裂強度相對于氣相二氧化硅分別提高了68%和40%,斷裂伸長率提高了80%。而SP15G的增強效果和氣相二氧化硅相近,但其斷裂伸長率則增大了43%。
結合納米二氧化硅的微觀表征,分析其增強機理。純氣相法制備的納米二氧化硅由于其表面的羥基能與聚合物鏈上的氧原子形成氫鍵,與基體結合而達到增強的效果,但由于納米顆粒較高的表面能,團聚現象較為嚴重;而且無機顆粒與有機基體的界面相容性不好,即使加入了硅烷偶聯劑,其增強效果也是極其有限的。由于UG-SP15G納米二氧化硅顆粒表面原位修飾,大大降低了顆粒的表面能,與硅橡膠表面能匹配,兩者相容性較好 ,浸潤程度大,基體大分子與納米顆粒間的作用面積大,使納米SiO2微粒表面剩余的羥基能更好地與聚合物鏈上的氧原子以氫鍵的形式相互作用,抵消了由于羥基數量的減少造成的影響;納米顆粒的精細分散和表面效應,使得顆粒吸附的聚合物鏈增多,增大了與硅橡膠相互作用,受到外力時,整個體系均勻受力,因此對硅橡膠有了較好的增強作用 。
UG-SP15G納米SiO2顆粒增強硅橡膠可能有兩方面的原因:
(1)類 納米顆粒鏈表面有機成分的包覆,使其在聚合物體系中的分散性較好,增加了剩余羥基與聚合物鏈上氧原子形成氫鍵的機會而起到增強效果;
(2)顆粒與基體很好的相容性和鏈狀分布,使復合體系中納米鏈與聚合物鏈能交錯纏繞,有機網絡和無機網絡互相交叉,復合體系同時具有無機材料的強度和聚合物材料的韌性,顯示出更強的增強效果。
另外,新型二氧化硅SP15G相對于氣相二氧化硅顯示出優越的斷裂伸長率。這主要是因為氣相二氧化硅A-200納米粒子 無機粒子網絡結構較強,影響了聚合物鏈的相對滑移運動,限制了材料的斷裂伸長率。而新型二氧化硅SP15G與基體相容性較好 填料的加入對聚合物鏈的相對滑移的影響不是很大,聚合物鏈較好的滑移增大了體系的斷裂伸長率。
氣相法二氧化硅A-200的分散狀態,很明顯借助偶聯劑分散在硅膠中,顆粒不是原生粒子分散,并且團聚體與基體的分界線較為清楚,可見納米顆粒與基體的相容性不好。SP15G納米二氧化硅 分散性較好, 大部分達到原生粒子級分散,顆粒與基體相容性較好,與前面分析結果相近。SP15G納米二氧化硅 在基體中的分散性和在基體中的相容性都是最好的 。 相容性的好壞能很好地說明各自的增強效果。
新型納米二氧化硅SP15G在不加偶聯劑的情況下,能很好地分散在硅橡膠中,并且能起到很好的增強效果。 相對于加入偶聯劑的A-200體系在拉伸強度、撕裂強度和斷裂伸長率方面都有大幅度的提高。而SP15G體系的增強效果和氣相法二氧化硅相當,但混煉膠的加工性能有很大提高。
由于SP15G納米二氧化硅的鏈狀結構在體系內形成了無機網絡與有機聚合網絡相互纏繞交叉的結構,具有很大的Payne效應,并且在低溫時阻止了聚合物鏈的定向排列結晶,使增強后的復合材料能在低溫環境下保持較好的彈性。 納米二氧化硅SP15G顆粒由于與基體的界面相容性較好,能在體系中有較為精細的分散,甚至達到原生顆粒級分散,這使得納米顆粒的增強效果得到很好地發揮。
納米二氧化硅的形態結構和無機顆粒與有機聚合物基體的相容性對硅橡膠的增強效果有很大的影響。