新型气相纳米二氧化硅对复合材料性能的提高研究

           《橡胶技术》  20140727                            李琴

二氧化硅在各自最优添加量相同的制备条件下,增强硅橡胶所表现出的力学性能。最佳添加量的纯气相二氧化硅A-200(40 phr)增强后,硅橡胶的拉伸强度为7.2 MPa,撕裂强度为17.2 MPa。在新型二氧化硅UG-SP15G对硅胶的增强效果中,二氧化硅sp15G增强后拉伸强度和撕裂强度相对于气相二氧化硅分别提高了68%和40%,断裂伸长率提高了80%。而SP15G的增强效果和气相二氧化硅相近,但其断裂伸长率则增大了43%。 

结合纳米二氧化硅的微观表征,分析其增强机理。纯气相法制备的纳米二氧化硅由于其表面的羟基能与聚合物链上的氧原子形成氢键,与基体结合而达到增强的效果,但由于纳米颗粒较高的表面能,团聚现象较为严重;而且无机颗粒与有机基体的界面相容性不好,即使加入了硅烷偶联剂,其增强效果也是极其有限的。由于UG-SP15G纳米二氧化硅颗粒表面原位修饰,大大降低了颗粒的表面能,与硅橡胶表面能匹配,两者相容性较好 ,浸润程度大,基体大分子与纳米颗粒间的作用面积大,使纳米SiO2微粒表面剩余的羟基能更好地与聚合物链上的氧原子以氢键的形式相互作用,抵消了由于羟基数量的减少造成的影响;纳米颗粒的精细分散和表面效应,使得颗粒吸附的聚合物链增多,增大了与硅橡胶相互作用,受到外力时,整个体系均匀受力,因此对硅橡胶有了较好的增强作用 。

UG-SP15G纳米SiO2颗粒增强硅橡胶可能有两方面的原因:

(1)类 纳米颗粒链表面有机成分的包覆,使其在聚合物体系中的分散性较好,增加了剩余羟基与聚合物链上氧原子形成氢键的机会而起到增强效果;

(2)颗粒与基体很好的相容性和链状分布,使复合体系中纳米链与聚合物链能交错缠绕,有机网络和无机网络互相交叉,复合体系同时具有无机材料的强度和聚合物材料的韧性,显示出更强的增强效果。

另外,新型二氧化硅SP15G相对于气相二氧化硅显示出优越的断裂伸长率。这主要是因为气相二氧化硅A-200纳米粒子 无机粒子网络结构较强,影响了聚合物链的相对滑移运动,限制了材料的断裂伸长率。而新型二氧化硅SP15G与基体相容性较好 填料的加入对聚合物链的相对滑移的影响不是很大,聚合物链较好的滑移增大了体系的断裂伸长率。 

气相法二氧化硅A-200的分散状态,很明显借助偶联剂分散在硅胶中,颗粒不是原生粒子分散,并且团聚体与基体的分界线较为清楚,可见纳米颗粒与基体的相容性不好。SP15G纳米二氧化硅 分散性较好, 大部分达到原生粒子级分散,颗粒与基体相容性较好,与前面分析结果相近。SP15G纳米二氧化硅 在基体中的分散性和在基体中的相容性都是最好的  。 相容性的好坏能很好地说明各自的增强效果。

新型纳米二氧化硅SP15G在不加偶联剂的情况下,能很好地分散在硅橡胶中,并且能起到很好的增强效果。 相对于加入偶联剂的A-200体系在拉伸强度、撕裂强度和断裂伸长率方面都有大幅度的提高。而SP15G体系的增强效果和气相法二氧化硅相当,但混炼胶的加工性能有很大提高。

由于SP15G纳米二氧化硅的链状结构在体系内形成了无机网络与有机聚合网络相互缠绕交叉的结构,具有很大的Payne效应,并且在低温时阻止了聚合物链的定向排列结晶,使增强后的复合材料能在低温环境下保持较好的弹性。 纳米二氧化硅SP15G颗粒由于与基体的界面相容性较好,能在体系中有较为精细的分散,甚至达到原生颗粒级分散,这使得纳米颗粒的增强效果得到很好地发挥。

纳米二氧化硅的形态结构和无机颗粒与有机聚合物基体的相容性对硅橡胶的增强效果有很大的影响。