水合二氧化硅/丁苯橡膠復合材料性能研究

康浩

(南寧市第一中學，廣西 南寧 530012)

水合二氧化硅/丁苯橡膠復合材料性能研究

康浩

(南寧市第一中學，廣西 南寧 530012)

研究了在水合二氧化硅制備過程中對其產品質量的影響因素；乙烯基三乙氧基硅烷偶聯劑(A-151)改性水合二氧化硅，改性水合二氧化硅具有良好的疏水性；并用改性水合二氧化硅補強丁苯橡膠，考察了補強后橡膠的拉伸強度、定伸應力等力學性能。當鹽酸濃度為40%時制得的水合二氧化硅改性后補強丁苯橡膠所得復合材料綜合性能最佳。

水合二氧化硅；丁苯橡膠；力學性能；復合材料

無機粒子填充聚合物已成為聚合物材料改性的有效手段之一[1]。硅橡膠和用于電子、玩具、醫療衛生、體育設施等的淺色橡膠市場迫切需要各種高性能白炭黑，特別是表面改性產品，目前國內生產還不能滿足需求，主要依靠進口解決。氣相法白炭黑因純度高、產品分散粒度細，應用在橡膠和油漆、涂料等領域上，但因其價格昂貴，使得許多用戶望而興嘆。然而傳統方法制備的沉淀法白炭黑無法正常加入和使用，尤其是在高端橡膠產品的應用上表現更為明顯，目前只有國外表面改性產品才能使用。由于市售水合二氧化硅粒度較大，不適合用于填充補強，本文著重于討論制備較小粒度的水合二氧化硅，將其改性后補強橡膠。試圖為國內開拓水合二氧化硅改性及填充聚合物的市場做一些探索。

本文對水合二氧化硅改性后補強丁苯橡膠進行研究，以得到較好的補強效果為目的，進行了大量的探索性試驗，并根據現有的資料和實驗數據確定相應的工藝流程。同時，本文在制備水合二氧化硅過程中以各主要因素對顆粒形貌的影響為目標做對比實驗找出最優參數，將得到的水合二氧化硅改性后用于補強丁苯橡膠，觀察不同鹽酸濃度下水合二氧化硅的補強效果，對比得出較好的補強方案。

利用傳統兩步法由不同濃度的鹽酸制備水合二氧化硅，研究試驗制備工藝條件鹽酸濃度、溫度、攪拌速度對水合二氧化硅粒度影響；將其改性后補強丁苯橡膠，通過對復合材料性能的分析研究，得到水合二氧化硅粒徑對材料性能的不同作用，從而得出水合二氧化硅粒度與復合材料性能的關系，為水合二氧化硅改性后補強橡膠的工業化做研究。

1 實驗部分

1.1 主要原料

濃鹽酸，分析純，重慶市華東化工有限公司；硅酸鈉，分析純，天津市福晨化學試劑廠；AgNO3，分析純，重慶市三星化工廠；硅烷偶聯劑A-151，化學純，淄博市臨淄齊泉工貿有限公司；合成橡膠SBR-1500，分析純，中國石油吉林石化公司；促進劑TMTD，化學純，上海山浦化工有限公司；促進劑TBBS，分析純，成都市科龍化工試劑廠；硫磺，化學純，重慶經略實業有限責任公司。

1.2 主要儀器

JHS-1/90型電子恒速攪拌器，杭州儀表電機廠；HH-S型數顯恒溫油浴鍋（石蠟），金壇市鑫鑫實驗儀器有限公司；D2KW-4型電子恒溫水浴鍋，北京中興偉業儀器有限公司；SRJX4-13型馬弗爐，天津市泰斯特儀器有限公司；Mettle AB265-S型電子天平，上海友聲衡器有限公司；X（S）K-160型開煉機，上海第一橡膠機械廠；UR2030型硫化機，上海第一橡膠機械廠；UT-2060型電子拉力機，臺灣優肯公司。

1.3 實驗過程

1.3.1 水合二氧化硅的制備

（1）制備

水玻璃的精制：取一定量硅酸鈉于500 mL燒杯中并用水浴加熱至80～90℃，沉淀24 h后，取上層透明溶液待用。

水合二氧化硅的制備：在攪拌下加入一定量的蒸餾水到精制后的Na2O·mSiO2中，分散均勻后，加入膠體保護劑；滴加鹽酸，維持溫度在40℃左右；鹽酸與Na2O·mSiO2的反應如下：

Na2O·mSiO2+nH2O+2HCl=2NaCl+m SiO2·(n+2) H2O

隨著鹽酸的不斷加入，溶液逐漸變混濁，當溶液出現白色絮凝狀沉淀時繼續滴加鹽酸，直至溶液變成白色懸浮液，抽濾，用蒸餾水反復洗滌沉淀，并用AgNO3溶液檢測洗液中的Cl-，至溶液中無AgCl沉淀為止， 常壓150℃烘箱干燥，得到水合二氧化硅。

(2)配方設計

在本實驗中，以鹽酸濃度為試驗主要影響因素進行配方設計，見表1所示。

表1 制備水合二氧化硅所用鹽酸濃度（體積分數）

1.3.2 水合二氧化硅改性

按實驗計劃分別稱取一定量不同鹽酸濃度制備的水合二氧化硅于坩堝中，并在400℃的馬弗爐中預處理10 min，水合二氧化硅預處理完成后，取出移入三口燒瓶中并安上攪拌器、回流裝置，用滴液漏斗從燒瓶另一個瓶口緩慢加入12%的硅烷偶聯劑A-151到高速攪拌的水合二氧化硅中，待充分混合后，塞住瓶口并將其放入200℃的油浴鍋中，反應30 min，關閉儀器，取出改性水合二氧化硅、干燥即可。

1.3.3 改性水合二氧化硅補強丁苯橡膠

(1)丁苯橡膠的補強

加料順序、時間和操作要求如下（開放式煉膠機輥溫35±5℃）：煉均勻，下片。

總計煉膠33 min，膠片停放8 h后，再用于作硫化膠試片。

按以上的步驟，進行4次均勻實驗，以便通過效果檢測實驗得出最佳補強配方。

(2)配方設計

由于實驗目的是研究不同鹽酸濃度制備的水合二氧化硅改性后對丁苯橡膠性能的影響，故參照國際標準配方（ⅠSO5794/2-1982）進行設計，見表2所示。

表2 丁苯橡膠補強配方 g

2 結果與討論

2.1 酸液濃度對顆粒形貌的影響

采用水玻璃和鹽酸為原料生產水合二氧化硅，通過實驗證實在制備水合二氧化硅過程中鹽酸的不同濃度導致產品的粒度各有不同，用不同濃度鹽酸制備的二氧化硅顆粒形貌見圖1。

圖1 鹽酸濃度對顆粒的影響

由圖1可見，鹽酸濃度較大時，顆粒較大，粒徑不均；當鹽酸濃度較小時，顆粒較小，粒徑均勻。這是因為在鹽酸濃度較大的情況下，體系濃度較小，晶核生成的速度慢，使產品粒度分布增寬，最終產品的形貌為顆粒大、粒度不均。

2.2 溫度對顆粒形貌的影響

在水合二氧化硅結晶過程中，不同溫度對顆粒形貌的影響如圖2所示。40℃生成的水合二氧化硅，顆粒較小，粒徑分布均勻。70℃生成的水合二氧化硅，顆粒較大，粒徑不均勻。這主要是由于溫度對晶體的成核速率影響所致，前者成核速率較快。

圖2 溫度對顆粒的影響

2.3 攪拌對顆粒形貌的影響

反應體系的攪拌強度明顯地影響體系濃度均勻程度和傳質速率，因此也將顯著影響結晶過程與結果。在水合二氧化硅結晶過程中，不同攪拌強度的影響如圖3所示。

圖3 攪拌對顆粒的影響

由圖3可見，攪拌強度越大，顆粒越小，粒徑越均勻；當攪拌強度很小時，顆粒較大，粒徑不均勻。這是因為體系在攪拌強度小的情況下，體系濃度不均勻而且傳質很慢，溶液中不能產生均勻形核，只能在顆粒表面進行非均勻形核。

攪拌達到某一速度后，再提高攪拌速度，也不能再產生作用，相反還會打碎晶體。實驗中已確定，攪拌強度是對晶體大小和晶體均勻度頗有影響的因素。

2.4 改性水合二氧化硅性能表征

2.4.1 改性水合二氧化硅表面極性分析

實驗中采用硅烷偶聯劑A-151進行改性。改性前與改性后相比，水合二氧化硅顏色基本無變化。圖4(a)為水合二氧化硅改性前在水中的漂浮情況，圖4(b)為水合二氧化硅改性后在水中的漂浮情況，可以看出水合二氧化硅經改性后在水中漂浮性極好。

圖4 改性前后水合二氧化硅疏水性對比

2.4.2 改性后水合二氧化硅疏水效果

用偶聯劑A-151處理鹽酸制備的水合二氧化硅，水合二氧化硅表面顯示出很好的疏水性，具體實驗結果見表3。原因是粒子表面羥基數過多，用偶聯劑對其表面改性，表面羥基與偶聯劑發生反應，消除或減少表面羥基的量，接枝或包覆其他化學物質。由此水合二氧化硅的親水性變為疏水性，在水中漂浮性極好。

2.4.3 水合二氧化硅改性機理的分析

表3 改性水合二氧化硅疏水效果的影響

水合二氧化硅以其優越的穩定性、補強性、增稠性和觸變性等一直是橡膠、塑料、涂料等制品的重要填料之一。由于生產工藝的原因，水合二氧化硅的表面一般呈親水性。親水性的水合二氧化硅在有機相中難以浸潤和分散，將其填充在聚合物復合材料中粒子性能就難以得到發揮。導致水合二氧化硅呈親水性的

偶聯劑改性水合二氧化硅的基本工作原理就是通過一定的工藝利用一定的化學物質與水合二氧化硅表面的羥基發生反應，消除或減少表面羥基的量使其由親水性變為疏水性，以提高它同聚合物材料的親和性。本文要研究的是水合二氧化硅的表面改性，由于市售的水合二氧化硅粒徑較大，不適合用于實驗研究，所以采用自制水合二氧化硅。隨著偶聯劑的加入水合二氧化硅逐漸表現出良好的親水性。同時，偶聯劑在改性中還能起著在無機物質和有機物質的界面之間架起"分子橋"，X 通常是氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基等，這些基團水解時即生成硅烷醇(Si(OH)3)，而與無機物質結合，形成硅氧烷。Y是乙烯基、氨基、環氧基、甲基丙烯酰氧基、巰基或脲基。這些反應基可與有機物質反應而結合。偶聯劑通過X、Y基團把兩種性質懸殊的材料連接在一起提高復合材料的性能和增加粘接強度的作用。硅烷偶聯劑作用原理見圖5。

圖5 硅烷偶聯劑作用原理示意圖

2.5 不同粒度水合二氧化硅改性后補強丁苯橡膠性能分析

為了考查不同粒度水合二氧化硅對丁苯橡膠的補強作用，做了4組平行試驗。不同粒度水合二氧化硅改性后補強丁苯橡膠實驗原始記錄見表4。從表4得知隨著水合二氧化硅粒度逐漸增大，其補強丁苯橡膠所得復合材料的拉伸強度、拉斷伸長率和500%定伸應力均在下降。

由表4可見，隨著水合二氧化硅粒度的增大，拉伸強度、拉斷伸長率及500%定伸應力都呈下降趨勢。第一組補強試驗中復合材料拉伸強度、拉斷伸長率及500%定伸應力值均最大，故用40%鹽酸制得的水合二氧化硅改性后補強丁苯橡膠得到的復合材料綜合性能最佳。水合二氧化硅的粒徑及粒徑分布是影響其質量的主要因素之一，由實驗可知水合二氧化硅粒徑越小，補強丁苯橡膠所得復合材料性能越好。

表4 不同粒度改性水合二氧化硅補強丁苯橡膠力學性能表

3 結語

本文分別用不同濃度（40%、45%、50%、55%）鹽酸與硅酸鈉制取不同粒度的水合二氧化硅；利用硅烷偶聯劑A-151進行改性；并用得到的疏水性水合二氧化硅填充丁苯橡膠，找出最佳補強方案。通過對結果的分析主要得到以下幾點結論：

（1）通過理論分析得到，在水合二氧化硅的制備過程中，影響產品質量的原因包括硅酸鈉溶液的濃度、鹽酸的狀態濃度、反應溫度和時間以及攪拌狀態、干燥條件等。

（2）用不同濃度鹽酸制備水合二氧化硅是整個工藝過程的關鍵工序。

（3）改性的水合二氧化硅具有良好的疏水性，用其補強丁苯橡膠后復合材料的拉伸強度、拉斷伸長率及500%定伸應力都有所改善。

（4）實驗得出將40%鹽酸與硅酸鈉制得的水合二氧化硅改性后補強丁苯橡膠，復合材料綜合性能最佳。

[1]歐陽兆輝. 納米二氧化硅改性及其在丁基橡膠中的應用[D].武漢：武漢科技大學，2005.

Properties of hydrated silica/butadiene rubber composites

Kang Hao
(Nanning First Middle School, Nanning 530012, Guangxi, China)

In this paper, the factors in fl uencing product quality in the preparation of hydrated silica were studied. Triethoxy vinyl silanecoupling agent (A-151) modified silicon dioxide hydrate and silicone trioxide possessed good hydrophobicity. After using modified hydrated silicon dioxide for reinforcing styrene butadiene rubber, the mechanical properties such as tensile strength and tensile stress were investigated.When the concentration of hydrochloric acid is 40%, the obtained composite has the best performance.

hydrated silica; styrene-butadiene rubber; mechanical properties; composites

TQ330.15

1009-797X(2018)01-0021-04

B DOⅠ:10.13520/j.cnki.rpte.2018.01.004

康浩（1984-)，男，現從事生物教學及新型生物材料應用研究工作。

2017-05-22