二氧化硅在氫化丁腈橡膠中的革新應用
丁腈橡膠(NBR)是由丙烯腈與丁二烯單體聚合而成的共聚物,主要用于制造耐油橡膠制品。由于其優異的耐油性和耐磨性,已經成為耐油橡膠制品的標準彈性體,廣泛應用于汽車、航空航天、石油化工、紡織、醫療、電線電纜、印刷和食品包裝等領域。
氫化丁腈橡膠(HNBR)是一種高飽和的丁腈橡膠,通過將丁腈橡膠中的不飽和雙鍵加氫飽和得到。由于其高度飽和的結構,氫化丁腈橡膠具有優異的耐熱性能、耐化學腐蝕性能、耐臭氧性能和耐壓縮永久變形性能。同時,它還具有高強度、高撕裂性能和耐磨性能優異等特點,但是,氫化丁腈橡膠的力學性能還不夠理想,需要進一步改善。
為了提高氫化丁腈橡膠的力學性能,我們可以采用填充增強的方法。填充增強是指在橡膠基體中加入一定量的無機或有機填料,以提高橡膠復合材料的硬度、模量、強度、耐磨性等物理力學性能。常用的填充增強劑有炭黑、二氧化硅、粘土、鈦白粉等。
本文主要介紹二氧化硅作為氫化丁腈橡膠的填充增強劑的應用。二氧化硅是一種無機化合物,化學式為SiO?。硅原子和氧原子長程有序排列形成晶態二氧化硅,短程有序或長程無序排列形成非晶態二氧化硅。二氧化硅是一種無色、無味、惰性且具有絕緣性能的多孔硅酸鹽材料。它呈現白色且補強效果與炭黑相似,因此又被稱為白炭黑。
因此,二氧化硅作為氫化丁腈橡膠的填充增強劑具有很大的潛力和前景。但是,二氧化硅在橡膠基體中的分散性較差。這是由于二氧化硅表面附著了大量的活性羥基(-OH),這些羥基使得二氧化硅呈現親水性,容易發生團聚,并且與橡膠分子之間缺乏有效的相容性。這樣就會導致二氧化硅在混煉過程中不能均勻分散在橡膠基體中,從而影響其補強效果。
為了解決這一問題,我們需要對二氧化硅進行表面改性,以消耗其表面的活性羥基,提高其與橡膠的結合力。表面改性的方法有很多,如硅烷偶聯劑、有機硅樹脂、有機硅聚合物等。這些方法可以在二氧化硅表面形成一層有機或無機的覆蓋層,從而降低其親水性,增加其親油性,提高其在橡膠中的分散性。經過表面改性的二氧化硅可以顯著提高氫化丁腈橡膠的力學性能,如硬度、模量、強度、耐磨性等。
二氧化硅表面模型
就以硅烷偶聯劑為例,硅烷偶聯劑是一種具有兩個不同官能團的化合物,一端是與二氧化硅表面的羥基發生反應的硅氧鍵(Si-O),另一端是與橡膠分子發生反應的有機基團(如氨基、巰基、乙烯基等)。通過這種方式,硅烷偶聯劑可以在二氧化硅表面形成一層有機的覆蓋層,并且與橡膠分子形成共價鍵或氫鍵等相容性較強的作用力。這樣就可以有效地提高二氧化硅與橡膠的結合力,從而提高其在橡膠中的分散性。
我們采用了三種不同類型的硅烷偶聯劑:乙烯基三甲氧基硅烷(VTMO)、γ-甘氨酸甲酯丙三甲氧基硅烷(GPTMS)和γ-巰丙基三甲氧基硅烷(MPTMS),對二氧化硅進行了表面改性。制備了氫化丁腈橡膠/二氧化硅復合材料。通過對復合材料進行了力學性能測試和動態力學分析。
結果表明,與未改性的二氧化硅相比,經過VTMO、GPTMS和MPTMS改性后的二氧化硅在氫化丁腈橡膠中的分散性明顯提高。其中,MPTMS改性后的二氧化硅具有良好的分散性,這可能是由于MPTMS中含有巰基,可以與氫化丁腈橡膠中的雙鍵發生反應,形成較強的共價鍵。因此,在相同填充量下,MPTMS改性后的二氧化硅對氫化丁腈橡膠的補強效果最好。當填充量為30phr時,氫化丁腈橡膠/MPTMS-SiO?復合材料的拉伸強度、斷裂伸長率和撕裂強度分別提高了36.8%、14.3%和28.6%。此外,動態力學分析結果表明,經過MPTMS改性后的二氧化硅對氫化丁腈橡膠的耐熱性和耐老化性也有所改善。氫化丁腈橡膠/MPTMS-SiO?復合材料在100°C下的儲能模量(E')和損耗因子(tanδ)均低于未改性的樣品。
二氧化硅作為氫化丁腈橡膠的填充增強劑,可以顯著提高氫化丁腈橡膠的多種性能,拓寬了氫化丁腈橡膠的應用范圍和領域。通過不斷深化對橡膠材料微觀結構與性能關系的認識,我們可以預見在橡膠工程領域取得更多突破性的進展,推動橡膠制品在各個行業中的更廣泛應用。