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硅烷偶联剂改性无机填料及其在橡胶中的应用

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硅烷偶联剂改性无机填料及其在橡胶中的应用

发布日期:2020-10-28 作者:来源于网络 点击:

为了改善橡胶材料的特性,并降低橡胶制品的生产成本,其有效途径是进行填充和改性。但由于无机填料与有机聚合物在化学结构和物理形态上存在着显著差异,为增加无机物与有机聚合物之间的亲和性,一般可用偶联剂来解决这个问题。


硅烷偶联剂是当前发展最快的偶联剂品种之一,硅烷偶联剂不仅能提高橡胶的力学性能,还可以改善其耐热性、耐水性和耐候性等,现已成为橡胶填充改性不可缺少的一种助剂。


1、硅烷偶联剂改性炭黑


多年来,炭黑一直用作轮胎的补强填充剂,并用于需要胶料具有良好韧性和耐磨性能、较长疲劳寿命及可变滞后性能的其他橡胶制品中。炭黑应用于橡胶时不会与橡胶发生化学结合,但炭黑表面存在多个活性点。

当硅烷偶联剂应用于炭黑填充橡胶时,可与炭黑表面含氧基团反应生成稳定的化学键,阻隔炭黑之间的团聚,同时部分硅烷偶联剂可与橡胶分子链形成物理吸附,偶联的炭黑与橡胶相互作用增强,提高了炭黑在橡胶中的分散性,进而改善胶料的某些性能。

2、硅烷偶联剂改性白炭黑


在轮胎工业中,补强填充剂白炭黑的用量仅次于炭黑。与炭黑相比,白炭黑粒径小、比表面积大,填充硫化胶的物理性能和耐磨性能均较好;但是白炭黑表面有大量的硅醇基,导致其具有较强的极性,与非极性的橡胶基体之间的相容性较差,白炭黑极易团聚导致其在胶料中分散性较差;同时硅醇基的强吸水性影响其补强效果,且其活性容易吸附硫化助剂,影响硫化速率。

因此,通常采用表面活性剂或硅烷偶联剂对白炭黑进行表面改性,提高其表面疏水性,从而提高其与橡胶的相容性,进而改善白炭黑补强橡胶的加工性能和应用性能。

白炭黑表面的硅醇基与硅烷偶联剂中疏水基团水解生成的烷氧基之间发生脱水反应,提高了白炭黑表面疏水性,从而减弱了白炭黑粒子间的团聚程度,增强了白炭黑与橡胶的相互作用。同时在硫化过程中硅烷偶联剂的疏水基团与橡胶基质的活性基团化学键接形成“桥梁”稳定连接橡胶基体与白炭黑。因而在轮胎胶料中加入硅烷偶联剂和白炭黑进行补强,可有效降低轮胎滞后性能,提高燃料的使用率,并能够保持良好的抗湿滑性能。

3、硅烷偶联剂改性矿物填料


随着硅烷偶联剂新品种的开发与生产工艺的改进,硅烷偶联剂能够进入更广阔的应用领域。用于橡胶中的填料,如碳酸钙、高岭土、云母、滑石、硅藻土、硅微粉等矿物材料,具有价廉易得、粒径均匀等特点,但未经处理的无机矿物填料与树脂的相容性和分散性较差。

经过硅烷偶联剂处理后,无机矿物填料与树脂的相容性和分散性大大改善,添加的比例也可增大,从而提高了橡胶材料的性能,降低了成本。

4、硅烷偶联剂选用原则


在硅烷偶联剂分子中,既有亲有机材料的有机基团,又有亲无机材料的可水解基团,其中,有机基团对橡胶制品的性能影响很大。只有当有机基团能与相应的有机材料发生反应时才能提高橡胶材料的性能。当硅烷偶联剂中的有机基团为非反应性的烷基或芳基时,对极性有机材料不起作用,但可用于非极性材料(如硅橡胶、聚苯乙烯等)中。

在橡胶工业中使用较多的是含硫硅烷偶联剂,如TESPT、双-[(三乙氧基硅烷基)-丙基]二硫化物(TESPD或Si75)、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷(A-189)等,而在轮胎中使用最多的是硅烷偶联剂TESPT。



一般,选用硅烷偶联剂的原则是:

聚烯烃橡胶多选用乙烯基硅烷;

硫磺硫化胶多选用含硫硅烷偶联剂(如Si69和Si75等);

环氧树脂一般选用端基是环氧基或氨基的硅烷;

不饱和聚酯多选用乙烯基、环氧基硅烷。



在选择硅烷偶联剂作橡胶材料的助剂时,除需考虑硅烷偶联剂中有机基团的反应性之外,还应考虑硅烷偶联剂与有机材料的相容性以及对胶料贮存稳定性的影响。有时,采用复合型硅烷偶联剂或硅烷偶联剂与多种化合物的反应产物效果会更好。

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