納米氮化硅改性甲基乙烯基硅橡膠的研究

摘要：高分子材料是化學(xué)工程與工藝專業(yè)研究的一個重要方向，作者針對VMQ/納米Si3N4復(fù)合材料的制備與性能進行實驗研究，設(shè)計合成了大分子表面改性劑HSi—g—A151，用其對納米Si3N4粉體（用量為0.5%時，硅橡膠納米復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)異）進行表面包覆處理，與甲基乙烯基硅橡膠（VMQ）基體形成復(fù)合材料，提高了其力學(xué)、耐熱老化、耐高溫性能。

關(guān)鍵詞：納米Si3N4 甲基乙烯基硅橡膠 力學(xué)性能 耐熱老化性能

隨著科技的發(fā)展，復(fù)合材料越來越吸引大家的關(guān)注，經(jīng)過復(fù)合以后的材料會表現(xiàn)出其各個組分所沒有的特定的性能，正因為如此，復(fù)合材料在很多領(lǐng)域都得到了重用。所謂橡膠基納米復(fù)合材料是指納米尺寸的無機填充物分散在橡膠基體中。張立群等人在前人大量理論和實驗研究的基礎(chǔ)上提出了高效補強必須是“納米”補強的觀點，認為采用納米補強技術(shù)可制得性能優(yōu)異的橡膠基納米復(fù)合材料。

一、實驗

原材料：甲基乙烯基硅橡膠（VMQ）、白炭黑、羥基硅油、硬脂酸鋅，納米Si3N4（平均粒徑<40nm），硫化劑2，5一二甲基_2，5雙（叔丁過氧基）己烷，自制大分子表面改性劑。

基本配方：采用了沉淀法白炭黑，硅橡膠生膠，150份；白炭黑，65份；羥基硅油，4.2份 ；硬脂酸鋅，0.35份；氮化硅，0%～3.5% ；硫化劑 ，1%。

工藝流程：采用分段投膠兩段混煉法，第一段混煉分兩步，首先在密煉機上進行，將生膠、相關(guān)加工助劑和填料加入密煉機中升溫至150℃，抽真空1h，然后攪拌1h，在混煉過程中一直保持在150℃—170℃，出膠后停放24h，然后進行反煉、過濾；然后在開煉機上進行，在第一步混煉出的膠料中加入納米Si3N4，開煉光滑，下片停放。第二段混煉是在開煉機上進行，把第一段混煉的兩種膠料按不同的比例在開煉機上開煉，并同時加入雙—2，5硫化劑下片，停放12h后，制樣。橡膠基納米復(fù)合材料樣品制備：混煉工藝在密煉機上進行，硅橡膠硫化條件為175℃×5min。

測試與分析：1、采用S—4800掃描式電子顯微鏡對橡膠機納米復(fù)合材料新鮮撕裂面進行掃描拍照，觀察納米Si3N4在硅橡膠中的分散性，不噴金；2、按照GB/T528在Instron—112型電子拉力機上進行拉伸強度，直角撕裂強度，斷裂伸長率等性能測試；耐熱老化性能條件為200℃×75h。3、Pyris—1型熱重分析儀對各不同的硅橡膠進行分析耐高溫性能。

二、結(jié)果與討論

※納米Si3N4在VMQ中的分散情況

分析：這是由于大分子表面改性劑HSi—g—A151改性納米Si3N4后，能使其與硅橡膠有更強的相互作用、更好的相容性，說明所合成的大分子表面改性劑HSi—g—A151在納米Si3N4與硅橡膠之間起到了很好的架橋（偶聯(lián)）作用。

※VMQ/納米Si3N4復(fù)合材料的性能

物理性能：在研究的納米Si3N4的占生膠的比例0、0.25、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 （%）比例范圍內(nèi)，隨著納米Si3N4比例的增加，橡膠的邵A硬度有小幅上升，撕裂強度、斷裂伸長率、扯斷強度在納米Si3N4比例為0.5%時達到最大值，隨后又呈下降趨勢，分析認為，在納米Si3N4粉體表面包覆了大分子表面改性劑HSi—g—A151后，與硅橡膠基體在界面上產(chǎn)生了良好的相互作用，從而在一定用量范圍內(nèi)使復(fù)合材料的物理性能得以提高。

耐熱老化性能：分別取納米Si3N4的占生膠的比例0、0.25、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 （%）在200℃下熱空氣老化75h后，測試試樣的扯斷強度和扯斷伸長率，結(jié)果在硅橡膠基體中加入納米Si3N4明顯地提高老化后的硅橡膠的扯斷強度和扯斷伸長率，相對于未加納米Si3N4的原混煉膠可以看出，隨著納米Si3N4質(zhì)量分數(shù)的增加，老化后硅橡膠的扯斷強度降低值以及扯斷伸長率均是先減小后增大，扯斷強度和扯斷伸長率均在0.5%達到一個峰值，可見，納米Si3N4的加入，能夠明顯地改變硅橡膠耐熱老化性能，當納米Si3N4粉體添加量低于某一個值時（0.5%），復(fù)合材料的那熱老化性能隨著納米Si3N4粉體量的增加而提高，這是由于添加的粉體越多對于其性能的提高越明顯，當納米Si3N4粉體添加量高于某一個值時（0.5%），隨著粉體量的增加而降低，這是由于當添加過多的粉體時，粉體不能很好的分散在硅橡膠基體中，在做拉伸和撕裂時容易局部斷裂而降低了復(fù)合材料的耐熱老化性能。

耐高溫性能：分別對混煉膠、復(fù)合材料以及生膠進行熱重分析，各種硅橡膠分解速率最大時的溫度為：生膠（435℃）、混煉膠（502℃）、復(fù)合材料（511℃）如圖2.

圖2 硅橡膠熱重曲線（a生膠 b混煉膠 c復(fù)合材料）

三、結(jié)論

通過對硅橡膠/Si3N4納米復(fù)合材料的常規(guī)力學(xué)性能和熱空氣老化性能的研究表明：經(jīng)過大分子表面改性劑HSi—g—A151改性后的納米Si3N4粉體在一定程度上提高了硅橡膠的常規(guī)力學(xué)性能和耐熱空氣老化性能。當Si3N4的添加量在0.5%時，物理性能和耐熱老化性能達到一個最優(yōu)值。從對各個不同硅橡膠的TG分析可以看出，添加了適量的經(jīng)分子表面改性劑HSi—g—A151改性后的納米Si3N4粉體，可以使硅橡膠的耐高溫性能有小幅度的上升。

參考文獻：

[1]楊偉燕 橡膠納米復(fù)合材料研究進展及其發(fā)展前景[J].甘肅科技，2006，9

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