硅烷偶聯劑在粘土膠中的抗熱氧老化應用

將偶聯劑作為橡膠的補強劑和填充劑,一般是致力于提高材料的強度。有研究報道,使用硅烷偶聯劑除了能較大幅度地提高物理機械性能外,還能改善材料的熱老化性能;而鈦酸酯偶聯劑則對老化性能有負作用[2]。因此本實驗設想,利用硅烷偶聯劑在填料表面形成膜來阻隔粘土粒子所含的變價金屬離子對橡膠烴的氧化催化作用,以達到提高粘土膠熱氧老化性能的目的。

1　實驗部分

1.1　原材料

    橡膠:天然橡膠濃縮膠乳,干膠質量分數為56.7%。產地:中國農業科學院試驗農場。粘土:粘土細粒懸浮液,固體物質量分數為21.7%。產地:廣東省南華農場。

化學試劑:(其它為市售工業級產品)

硅烷偶聯劑ＫＨ-550(ｒ-氨基丙基三乙氧基硅烷),工業級,馳葉有機硅材料（上海）有限公司。

1.2　粘土膠的樣品制備及測試

    見文獻。

2　結果與討論

2.1　硅烷偶聯劑的抗熱氧老化作用

表1給出了粘土膠空白試樣(Ｏ#)、粘土膠中加入1份硅烷偶聯劑ＫＨ-550(Ａ#)和加1份防老劑(Ｄ#)的可塑度和塑性保持率隨老化時間變化的情況。從表1結果可以看出,硅烷偶聯劑對粘土膠具有明顯的熱氧老化防護作用。

2.2　硅烷偶聯劑用量的影響

     為進一步進行了解偶聯劑的作用,在粘土膠中加入不同用量的ＫＨ-550,將制得的粘土膠膠樣在空氣中暴露放置2個月,然后測試試樣的可塑度和塑性保持率隨熱老化時間變化的數值,試驗結果見表2。Ｏ#:空白對比樣;Ａ-1#:粘土膠加入0.5份ＫＨ-550;Ａ-2#:粘土膠加入1.0份ＫＨ-550;Ａ-3#:粘土膠加入1.5份ＫＨ-550;Ａ-4#:粘土膠加入2.0份ＫＨ-550。加入量均為對粘土質量比。

　　表中數據得出,Ａ組配方中,以加入1.0份的硅烷偶聯劑效果最好,沒加偶聯劑的空白樣熱老化10ｍｉｎ后,其可塑度已接近最低值,而加偶聯劑0.5份、1.5份、2.0份的試樣,其可塑度均低于加1.0份的試樣。這是因為加1份偶聯劑時,對粘土粒子來說,可形成一層較完整的單分子層包復膜,恰到好處地阻隔了粘土粒子中的金屬元素對橡膠烴的作用。有許多研究都報道了這點,即加1份偶聯劑(對填料質量比)時,偶聯劑的作用最佳。偶聯劑的用量過少,不能形成完整的膜,起不到預期的作用。而過多的偶聯劑則會起負作用,可塑度反而下降。

2.3　硅烷偶聯劑與防老劑的協同效應

    為比較ＫＨ-550對硫化膠物理機械性能的影響,表3中各試樣分別為Ｃ-0#:加1份ＫＨ-550的粘土膠硫化膠;Ｏ-0#:空白樣的硫化膠;Ｃ-9#:加1份防老劑的粘土膠硫化膠;Ｃ-10#:加1份ＫＨ-550,同時加1份防老劑。測試試樣老化前后的物理機械性能,其結果如表3所示。

從表中結果可看出,加了硅烷偶聯劑的Ｃ-0#,與Ｏ-0#和Ｃ-9#兩個樣比較,其綜合性能在老化前是3個樣中最高的,這也證實了偶聯劑可提高橡膠材料的強度。Ｃ-0#老化后的數據與Ｃ-9#相當,而未加偶聯劑及防老劑的空白樣Ｏ-0#則老化后性能下降很多。這說明硅烷偶聯劑應用于粘土膠中,不僅可大大提高材料的強度,也可起到防熱氧老化的作用。Ｃ-10#是4個試樣中綜合性能最好的,說明硅烷偶聯劑ＫＨ-550與防老劑具有很好的協同效應。

2.4　電子顯微鏡分析

     圖1、圖2為一組粘土膠未硫化膠的掃描電子顯微鏡照片。圖1為空白對比樣Ｏ#,圖2為加了1份硅烷偶聯劑ＫＨ-550的試樣Ａ-2#。

比較2張照片可以看到Ｏ#試樣的斷面上,〗可清楚地看到粘土粒子與橡膠材料的連接界限,即粘土粒子只是被包容在橡膠烴內,與橡膠烴之間沒有結合力。在Ａ-2#試樣的照片上,則可看到斷面較為光滑,由于加入了硅烷偶聯劑,使粘土粒子與橡膠烴之間結合較好,在斷面上看不到明顯的粘土粒子與橡膠材料的連接界限。也就是說由于硅烷偶聯劑的兩種活性基團分別與填料粘土粒子和橡膠烴作用成鍵,使得粘土粒子與橡膠材料之間產生了結合力,因而斷面看起來較為光滑平整,故材料的物理機械性能得以提高。

3　結論

    將硅烷偶聯劑ＫＨ-550作用于粘土膠,不僅可以大大提高材料的強度,而且有明顯的抗熱氧老化效果,同時,與防老劑有很好的協同效應。最佳用量為1份———對粘土質量比。