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        改性硅藻土對(duì)硅橡膠力學(xué)及耐熱性能的影響

        2019-01-03 10:41:46武衛(wèi)莉
        彈性體 2018年6期
        關(guān)鍵詞:硅藻土耐熱性白炭黑

        武衛(wèi)莉,黃 賀

        (齊齊哈爾大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

        硅橡膠的主鏈由硅和氧原子交替構(gòu)成,具有很多優(yōu)異的性能,如穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)[1]、良好的熱穩(wěn)定性[2]、耐低溫性和耐熱性等,在高尖端國(guó)防科技[3]、精細(xì)化工[4]、航空航天制造業(yè)等各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越多。但是硅橡膠的力學(xué)強(qiáng)度[5]很難滿足工業(yè)上使用的需求[6],需要選擇合適的可以對(duì)硅橡膠進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的填料來(lái)提高其力學(xué)性能[7]、耐磨性[8]和耐疲勞性[9]等性能。白炭黑[10]和炭黑[11]作為硅橡膠的常用填料可以很好提高其強(qiáng)度,但是由于炭黑和白炭黑用于補(bǔ)強(qiáng)加工時(shí)都會(huì)帶來(lái)加工污染,所以研究者嘗試尋找一種新的無(wú)污染填料來(lái)部分替代白炭黑來(lái)增強(qiáng)硅橡膠。本文以無(wú)污染天然環(huán)保的硅藻土作為增強(qiáng)硅橡膠的填料,并用偶聯(lián)劑改性后的硅藻土[12]增強(qiáng)硅橡膠的力學(xué)性能及耐熱性能。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 原料

        甲基乙烯基硅橡膠(MVQ):乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09%,平均相對(duì)數(shù)均分子質(zhì)量為5.8×106,工業(yè)級(jí),東爵有機(jī)硅集團(tuán)有限公司;硅藻土:松散密度為0.3~0.5 g/cm3,北京創(chuàng)清源過(guò)濾器材有限責(zé)任公司;白炭黑:SJ-Z95,粒徑為47 μm,濰坊三佳化工有限公司;促進(jìn)劑M:河南省開(kāi)侖化工有限責(zé)任公司;硬脂酸:廣州市國(guó)開(kāi)化工原料有限公司;防老劑D:佳通化學(xué)有限公司;氧化鋅:天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠;過(guò)氧化二異丙苯(DCP):中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上?;瘜W(xué)試劑公司;硅烷偶聯(lián)劑KH550:南京道寧化工有限公司;硅烷偶聯(lián)劑KH590:南京奧誠(chéng)化工有限公司;硅烷偶聯(lián)劑Si69:南京曙光化工總廠。

        1.2 儀器及設(shè)備

        雙輥開(kāi)煉機(jī):SK-160型,天津市電工機(jī)械廠;平板硫化機(jī):XLB-D350型,上海市第一橡膠機(jī)械廠;熱老化試驗(yàn)箱:401A型,江都市新真威試驗(yàn)機(jī)械有限責(zé)任公司;電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī):CSS-2200型,長(zhǎng)春市智能儀器設(shè)備有限公司;邵爾硬度計(jì):LX-A 型,上海六夌儀器廠;磨耗試驗(yàn)機(jī):GT-7012-D型,高鐵檢測(cè)儀器有限公司;傅里葉變換紅外光譜儀:Spectrum On型,Perkin Eimer公司;熱重分析儀:STA449F3Jupiter型,德國(guó)NETZSCH公司。

        1.3 混煉膠的制備

        (1) 混煉膠配方(質(zhì)量份)為:MVQ 100,硅藻土8,DCP 2,硫磺 1,氧化鋅 3,促進(jìn)劑M 2,防老劑D 1.5,白炭黑5,硬脂酸2。

        (2) 改性硅藻土制備:將硅藻土分別加入KH550、KH590、Si69的乙醇溶液中均勻混合,用超聲機(jī)超聲2 h至改性劑與硅藻土分散均勻,抽濾后烘干得到改性硅藻土。

        (3) 混煉膠制備:用雙輥開(kāi)煉機(jī)進(jìn)行混煉膠制備,在輥距為2 mm、輥溫為50 ℃條件下,向硅橡膠中加入配合劑和改性硅藻土,混煉20 min后加入DCP和硫磺,繼續(xù)混煉20 min后將混煉膠制樣。

        (4) 硫化膠片制備:將混煉膠用平板硫化機(jī)進(jìn)行硫化,一段硫化條件為170 ℃×30 min×10 MPa,膠片厚度為1 mm;二段硫化在老化箱中進(jìn)行,硫化條件為170 ℃×2 h。

        1.4 性能測(cè)試

        拉伸強(qiáng)度采用CSS-2200型電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)按照GB/T 529—1999進(jìn)行測(cè)試,拉伸速率為100 mm/min;邵爾A型硬度采用LX-A型橡膠硬度計(jì)按照GB/T 531—1999進(jìn)行測(cè)試,將樣品放入401B型老化試驗(yàn)箱中于200 ℃下老化24 h;熱重分析采用STA449F3Jupiter 型熱重分析儀按照GB/T 21870—2005進(jìn)行測(cè)試,測(cè)定溫度為50~550 ℃;紅外分析采用Spectrum One型傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試,將磨成粉末的試樣與200 mg純KBr研細(xì)混合均勻后用油壓機(jī)壓成薄片,對(duì)改性前后的硅藻土/硅橡膠復(fù)合材料進(jìn)行紅外光譜分析,掃描范圍為1 000~4 000 cm-1。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 硅藻土的用量對(duì)硅橡膠性能的影響

        硅藻土的用量對(duì)硅橡膠性能的影響如表1所示。

        表1 硅藻土用量對(duì)硅橡膠性能的影響1)

        1) “/”前為熱老化前性能;“/”后為熱老化后性能。

        由表1可知,隨著硅藻土用量增加,復(fù)合材料的力學(xué)性能先增加后減小,在硅藻土的加入量為8份時(shí),力學(xué)性能最好。原因是在不影響硅橡膠交聯(lián)的情況下,硅藻土的加入起到增強(qiáng)作用,但當(dāng)硅藻土用量超過(guò)8份時(shí),硅藻土?xí)诠柘鹉z中產(chǎn)生堆積現(xiàn)象,在硅橡膠中分散不均勻,使硅橡膠不能形成連續(xù)相,導(dǎo)致局部缺膠現(xiàn)象,所以力學(xué)性能下降。熱老化后的性能變化很大,說(shuō)明耐熱性能變差。因此初步確定硅藻土的最佳用量為8份。另外,從表1也可以看出,用硅藻土與白炭黑復(fù)配性能略好于單用白炭黑,原因是少量加入多孔材料硅藻土有利于硅橡膠分散,而硅藻土用量太大時(shí),硅橡膠的性能就明顯低于白炭黑補(bǔ)強(qiáng)硅橡膠,如硅藻土/白炭黑的質(zhì)量比為10/5的就不如純白炭黑(15份)補(bǔ)強(qiáng)硅橡膠的性能。

        2.2 偶聯(lián)劑對(duì)硅藻土改性硅橡膠性能的影響

        由于硅藻土屬于無(wú)機(jī)材料,與硅橡膠是不相容的,因此采用偶聯(lián)劑對(duì)硅藻土進(jìn)行改性,偶聯(lián)劑的種類及用量對(duì)硅橡膠性能的影響如表2所示。

        表2 偶聯(lián)劑對(duì)硅藻土改性硅橡膠性能的影響

        1) “/”前為熱老化前性能;“/”后為熱老化后性能。

        隨著偶聯(lián)劑的加入硅橡膠的力學(xué)性能逐漸提高,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),且當(dāng)偶聯(lián)劑KH550用量為2.5份時(shí),硅橡膠的力學(xué)性能和耐熱性能最佳。這是因?yàn)镵H550[分子式為H2N(CH2)3Si(OC2H5)3]與硅藻土的結(jié)合,主要是與空氣中的水分或硅藻土中的水分反應(yīng),脫除乙氧基,形成乙醇,產(chǎn)生交聯(lián),對(duì)硅藻土顆粒表面進(jìn)行“包裹”,達(dá)到改性目的。氨基與硅藻土之間的作用力主要是氫鍵或分子間力。而KH590分子式為SH(CH2)3Si(OCH3)3,與硅藻土作用的基團(tuán)是HS—,Si69分子式為(OC2H5)3Si(CH2)3—S4—(CH2)3Si(OC2H5)3,與硅藻土作用的基團(tuán)是中間S—S鍵,而KH550的NH—在與橡膠大分子鏈相連后還可與硅藻土生成更多的氫鍵(如圖1所示),在圖1中硅藻土原樣在3 430 cm-1處出現(xiàn)締合—OH伸縮振動(dòng)吸收峰,在1 638 cm-1處出現(xiàn)碳碳雙鍵吸收峰,在1 100 cm-1處出現(xiàn)硅氧鍵伸縮振動(dòng)吸收峰,加入KH550偶聯(lián)劑后曲線在1 631 cm-1附近有一個(gè)胺基(—NH)特征峰,而未改性的硅藻土/硅橡膠復(fù)合材料紅外曲線圖里沒(méi)有,說(shuō)明用偶聯(lián)劑KH550改性的硅藻土與硅橡膠發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生了—N—H,而另外一個(gè)氫原子與硅藻土生成了氫鍵,該氫鍵的存在使硅藻土與硅橡膠的相容性增加,導(dǎo)致硅橡膠力學(xué)性能和耐熱性能增加。

        波數(shù)/cm-1圖1 硅藻土改性硅橡膠的紅外譜圖

        2.3 改性硅藻土對(duì)硅橡膠熱穩(wěn)定性的影響

        圖2為硅藻土對(duì)硅橡膠耐熱性能的影響。從圖2可以看出,在200 ℃之前,3種材料的失重速率相差不多,是隨著溫度升高橡膠中的水分揮發(fā)以及一些其它物質(zhì)的分解和揮發(fā)所導(dǎo)致的。在200~400 ℃之間,可明顯看到硅橡膠的失重速率最快,而KH550-硅藻土改性硅橡膠的失重速率下降較慢,說(shuō)明KH550改性硅藻土增強(qiáng)硅橡膠的耐熱性較好。

        溫度/℃圖2 改性硅藻土/硅橡膠的TG曲線

        3 結(jié) 論

        (1) 當(dāng)偶聯(lián)劑為KH550,加入8份改性硅藻土?xí)r復(fù)合材料的力學(xué)性能及耐熱性能最佳。

        (2) 通過(guò)紅外分析,用偶聯(lián)劑KH550改性硅藻土加入到硅橡膠后,出現(xiàn)了明顯的N—H吸收峰,說(shuō)明用KH550改性的硅藻土與硅橡膠相容性很好。

        (3) KH550改性的硅藻土使硅橡膠的熱失重速率更慢,說(shuō)明KH550改性硅藻土對(duì)硅橡膠有熱穩(wěn)定作用。

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