研究蒋颂波1,王云英1,孟江燕1,王运平2(1.南昌航空大学材料科学与工程学院,江西南昌330063;2.西安航空动力控制有限公司橡胶塑料分厂,陕西西安710079)
[作者简介]蒋颂波(1983-),男,湖南浏阳人,硕士,主要从事胶粘剂及高分子材料改性方面的研究工作。
0 引 言
室温硫化硅橡胶具有优异的耐高低温、耐候、耐臭氧、抗电弧、电气绝缘性、耐化学品、高透气性及生理惰性,因而在航空、宇航、电气电子、化工仪表、汽车、机械等工业以及医疗卫生、日常生活的各个领域得到了广泛的应用[1]。但其力学性能较差,限制了它的推广应用,据资料报道[ 1-5]:通常采用加入表面改性后的白炭黑对其进行增强改性。
白炭黑的表面改性是利用一定的化学物质通过一定的工艺方法使白炭黑的表面羟基与化学物质发生反应,降低表面羟基数量,使产品由亲水变为疏水,减少团聚,增大其在聚合物中的分散性[2-4]。常用的表面改性剂有氯硅烷类、硅烷偶联剂类、硅氧烷类化合物、醇类等[5]。偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷偶联剂(A-151)改性纳米二氧化硅能够实现纳米二氧化硅表面改性,并能改善纳米二氧化硅与硫化丁基胶相容性,提高丁基胶的力学性能[6]。H.Barthel[7]用二甲基甲氧基硅烷改性纳米二氧化硅的表面,其改性效果比三甲基甲氧基硅烷改性好,研究表明气体吸附的数据揭露了微粒之间的相互作用是由聚合物在硅烷化时相互渗透作用形成的。Mathieu Etienne等[8]用氨基硅烷偶联剂(APS)改性纳米二氧化硅。把APS和纳米SiO2分散在甲苯中回流搅拌2h,然后高温固化2h,增加了接枝层的厚度,提高了复合材料的交联度。
本试验采用偶联剂作为改性剂, 120#溶剂油为溶剂,主要研究不同的处理工艺对M-5气相白炭黑疏水性的影响及处理后气相白炭黑对室温硫化硅橡胶力学强度的影响。
1 试 验
1.1 原材料
试验所用主要原材料见表1。
1.2 偶联剂处理白炭黑将偶联剂按一定比例加入到120#溶剂油中,调节pH值3~5, 10min后按一定比例加入气相白炭黑,然后将混合液倒入三口瓶。升温至80℃,搅拌反应3h后出料,过滤烘干。
1.3 制作试样
气相白炭黑经硅烷偶联剂处理后,在高速搅拌机作用下加入到107#液体硅橡胶中,得到补强的混合胶液。混合胶加入交联剂正硅酸乙酯、催化剂二月桂酸二丁基锡,室温下搅拌使其硫化,抽真空制作试样。
1.4 测试
表面处理前后的白炭黑FT-IR红外测试:日本岛津(Shi-madzu)IRPrestige-21红外光谱仪。
表面处理白炭黑的疏水性测定:白炭黑的疏水性用甲醇的滴定用量来表示,即至95%以上的白炭黑沉入水中时甲醇滴定量即为甲醇用量。
粘接强度按GB11211-89(硫化橡胶与金属粘合强度的测定拉伸法)测试。
拉伸强度按GB528-82(硫化橡胶拉伸性能的测定)测试。
硬度按GB13531-76(橡胶邵氏A型硬度试验方法)测试。
2 结果与讨论
2.1 红外测试结果
白炭黑表面处理前后的红外分析结果见图1。
红外吸收峰波数及对应的基团如表2所示。
2.2 偶联剂类型和用量对白炭黑疏水性的影响
不同偶联剂处理后白炭黑的疏水性测试结果见表3。
由表3可知:未表面处理的白炭黑加入到水中就可直接与水相溶,说明白炭黑亲水。处理后的白炭黑均需滴入甲醇才能溶解,这说明经过表面处理的白炭黑表面显示更强的非极性,白炭黑表面接枝上了有机基团,呈疏水状态,同样用量的处理剂,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-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷(KH560)效果最差,这应该是与硅烷偶联剂的性能有关,A171对填料的可润湿面积最大,达到526m2/g,它更容易吸附到白炭黑表面,与白炭黑表面的羟基反应,接枝改性效果好。疏水性测试结果与红外分析结果吻合。
采用A171为处理剂,研究不同用量A171对白炭黑疏水性的影响,结果如图2。
由图2可知:随着偶联剂A171用量的增加,甲醇耗量迅速增大,气相白炭黑的疏水性变强。在A171用量达到10%以后,气相白炭黑的疏水性随偶联剂A171用量增加而变强的趋势在减缓。A171用量达到25%后,疏水性增强。其后随着偶联剂A171用量的增大,甲醇耗量呈增多趋势。
2.3 偶联剂类型和用量对硅橡胶力学性能的影响
本试验采用了不同类型的偶联剂处理白炭黑,以及通过改变偶联剂的用量对白炭黑进行处理,处理后作为增强填料制备了室温硫化硅橡胶,硅橡胶的力学性能测试结果见表4。
由表4可知,加入白炭黑后,硅橡胶力学强度明显提高。加入表面处理后的白炭黑的室温硫化硅橡胶的拉伸强度、扯断伸长率、硬度等力学性能均有较大幅提高。拉伸强度和扯断伸长率随处理后的白炭黑的加入量增加而增大,说明偶联剂处理后白炭黑的补强效果好。其中加入A171处理后的白炭黑的室温硫化硅橡胶的力学性能最好,这与前述的疏水性能的结果比较吻合,说明A171处理后的白炭黑与液体硅橡胶107胶的相容性最好。加入15%A171处理的白炭黑用量15%的RTV硅橡胶硫化后拉伸强度最大能达到1. 5MPa,由其配制的胶粘剂对金属与硅橡胶板的粘接强度达到1. 3MPa。
当白炭黑加入量为15%时,探讨白炭黑处理剂(A171)用量对硅橡胶拉伸性能的影响,结果如图3。
由图3可见:随偶联剂A171处理白炭黑用量增加,拉伸强度先升后降。当A171用量小于15%时,硅橡胶拉伸强度随偶联剂用量的增加而增大,原因是随偶联剂用量增大,接枝到白炭黑表面羟基的偶联剂越多,处理后的白炭黑与液体硅橡胶107胶的相容性变好,补强效果越明显。当A171用量大于20%后,硅橡胶拉伸强度逐渐减低,这可能是由于偶联剂的用量越多,白炭黑表面的羟基与偶联剂分子反应的越多,与聚硅氧烷分子形成氢键的白炭黑表面羟基数减少,从而使得分子间化学键键合力减小,拉伸强度随之降低。A171用量为白炭黑质量15%时,硅橡胶拉伸强度最大达到1. 5MPa。
3 结 论
1)红外测试结果表明,偶联剂处理白炭黑都能使白炭黑表面接枝上偶联剂基团。疏水率测试结果表明,A171处理白炭黑效果最好。
2)随着处理后的白炭黑加入量的增大,硅橡胶的力学性能均有所提高,由其配制的胶粘剂对金属与硅橡胶的粘接性能也有所提高。
3)随着处理白炭黑的偶联剂A171用量的增大,其拉伸强度先升后降,A171用量为白炭黑质量15%时,拉伸强度最大可达到1. 5MPa,由其配制的胶粘剂对铝-硅橡胶板的粘接强度达到1. 3MPa。
[参考文献]
[1] 段先健,吴利民.气相法白炭黑在硅橡胶中的应用[J].有机硅氟资讯, 2005, 43(7): 39-41
[2] 于欣伟,陈姚.白炭黑的表面改性技术[J].广州大学学报(自然科学版), 2002, 1(6): 12-16
