新型氣相納米二氧化硅對(duì)復(fù)合材料性能的提高研究
《橡膠技術(shù)》 20140727 李琴
二氧化硅在各自優(yōu)添加量相同的制備條件下,增強(qiáng)硅橡膠所表現(xiàn)出的力學(xué)性能。添加量的純氣相二氧化硅A-200(40 phr)增強(qiáng)后,硅橡膠的拉伸強(qiáng)度為7.2 MPa,撕裂強(qiáng)度為17.2 MPa。在新型二氧化硅UG-SP15G對(duì)硅膠的增強(qiáng)效果中,二氧化硅sp15G增強(qiáng)后拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度相對(duì)于氣相二氧化硅分別提高了68%和40%,斷裂伸長(zhǎng)率提高了80%。而SP15G的增強(qiáng)效果和氣相二氧化硅相近,但其斷裂伸長(zhǎng)率則增大了43%。
結(jié)合納米二氧化硅的微觀表征,分析其增強(qiáng)機(jī)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(jié)合而達(dá)到增強(qiáng)的效果,但由于納米顆粒較高的表面能,團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重;而且無(wú)機(jī)顆粒與有機(jī)基體的界面相容性不好,即使加入了硅烷偶聯(lián)劑,其增強(qiáng)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(rùn)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(shù)量的減少造成的影響;納米顆粒的精細(xì)分散和表面效應(yīng),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(shí),整個(gè)體系均勻受力,因此對(duì)硅橡膠有了較好的增強(qiáng)作用 。
UG-SP15G納米SiO2顆粒增強(qiáng)硅橡膠可能有兩方面的原因:
(1)類 納米顆粒鏈表面有機(jī)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(jī)會(huì)而起到增強(qiáng)效果;
(2)顆粒與基體很好的相容性和鏈狀分布,使復(fù)合體系中納米鏈與聚合物鏈能交錯(cuò)纏繞,有機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)機(jī)網(wǎng)絡(luò)互相交叉,復(fù)合體系同時(shí)具有無(wú)機(jī)材料的強(qiáng)度和聚合物材料的韌性,顯示出更強(qiáng)的增強(qiáng)效果。
另外,新型二氧化硅SP15G相對(duì)于氣相二氧化硅顯示出優(yōu)越的斷裂伸長(zhǎng)率。這主要是因?yàn)闅庀喽趸鐰-200納米粒子 無(wú)機(jī)粒子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較強(qiáng),影響了聚合物鏈的相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng),限制了材料的斷裂伸長(zhǎng)率。而新型二氧化硅SP15G與基體相容性較好 填料的加入對(duì)聚合物鏈的相對(duì)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(zhǎng)率。
氣相法二氧化硅A-200的分散狀態(tài),很明顯借助偶聯(lián)劑分散在硅膠中,顆粒不是原生粒子分散,并且團(tuán)聚體與基體的分界線較為清楚,可見(jiàn)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(dá)到原生粒子級(jí)分散,顆粒與基體相容性較好,與前面分析結(jié)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好的 。 相容性的好壞能很好地說(shuō)明各自的增強(qiáng)效果。
新型納米二氧化硅SP15G在不加偶聯(lián)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(qiáng)效果。 相對(duì)于加入偶聯(lián)劑的A-200體系在拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率方面都有大幅度的提高。而SP15G體系的增強(qiáng)效果和氣相法二氧化硅相當(dāng),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(jié)構(gòu)在體系內(nèi)形成了無(wú)機(jī)網(wǎng)絡(luò)與有機(jī)聚合網(wǎng)絡(luò)相互纏繞交叉的結(jié)構(gòu),具有很大的Payne效應(yīng),并且在低溫時(shí)阻止了聚合物鏈的定向排列結(jié)晶,使增強(qiáng)后的復(fù)合材料能在低溫環(huán)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(xì)的分散,甚至達(dá)到原生顆粒級(jí)分散,這使得納米顆粒的增強(qiáng)效果得到很好地發(fā)揮。
納米二氧化硅的形態(tài)結(jié)構(gòu)和無(wú)機(jī)顆粒與有機(jī)聚合物基體的相容性對(duì)硅橡膠的增強(qiáng)效果有很大的影響。
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