白炭黑纳米增强丁苯橡胶复合材料-武汉工程大学学报.doc

纳米白炭黑增强丁苯橡胶材料的制备与表征 郑聚成1,向腾瑞2,林志东2 (1. 中国石油天然气股份有限公司兰州化工研究中心合成橡胶所,甘肃 兰州 730060; 2. 武汉工程大学等离子体化学与新材料省重点实验室,湖北 武汉 430074) 摘 要：采用正硅酸四乙酯为二氧化硅前驱体，纳米二氧化硅前驱体反相微乳液与溶聚丁苯橡胶原胶溶液共混原位反应生成纳米二氧化硅，使二氧化硅微粒均匀分散在溶聚丁苯橡胶原胶液中，形成二氧化硅纳米级分散的溶聚丁苯橡胶溶液，最后经过汽提干燥工艺，得到二氧化硅纳米级分散的丁苯橡胶/纳米二氧化硅绿色轮胎母炼胶。对制备出的复合材料进行X射线衍射、扫描电子显微镜等测试分析，发现制备出的二氧化硅的平均粒径为40.4nm。同时，制备出的二氧化硅被丁苯橡胶很好地包裹在内，均匀地分散在丁苯橡胶内。 关键词：反相微乳法;纳米二氧化硅;丁苯橡胶;复合材料 中图分类号:TQ316.6 文献标识码:A 作者简介：郑聚成(1971-),男 ,甘肃天水人 ,高级工程师.研究方向:合成橡胶研发. 0 引 言 填料是橡胶工业的主要原料之一，人们应用填料增强橡胶的历史可以追溯到19世纪，可以说，没有填料的增强效应和填充效应，就不会有今天蓬勃发展的橡胶工业[1-3]。填料对橡胶的增强效果超出了对任何其他种类高分子材料的作用效果，炭黑和白炭黑（SiO2）是橡胶工业中常用的填料。众所周知，橡胶分子间的内摩擦损耗和松弛特性是是制约其低滚阻和高抗湿性能的主要因素，因此节能橡胶的分子结构设计和怎样增强结构的高性能是当前轮胎工业者致力解决的难题。在轮胎工业中，常用炭黑填充胎面胶材料以获得较好的综合性能，但是炭黑填料是有石油不完全燃烧或受热分解所得，因此致力开发低生热并且减少石油资源依赖性的新型材料成为当前的迫切任务，这对于缓解石油短缺，改善大气环境具有十分重要的意义。而用纳米SiO2填充胶料为胎面胶的“绿色轮胎”与传统用炭黑胶料为胎面胶的轮胎相比具有更低的滚动阻力和更高的抓着性能，引起了人们更大的兴趣[4-10]。 本文以正硅酸四乙酯（TEOS）为原料，用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和丁醇分别为表面活性剂和助表面活性剂，环己烷为油相，采用反相微乳法，制备出纳米级二氧化硅。将制备出的正硅酸四乙酯反相微乳液与丁苯橡胶(SBR)环己烷溶液混合在一起，再采用水蒸气汽提的工艺得到纳米二氧化硅-丁苯橡胶复合材料。对制备出的复合材料进行X射线衍射、红外测试及扫描电子显微镜等测试分析，发现制备出的二氧化硅达到纳米级别。同时，制备出的二氧化硅被丁苯橡胶很好地包裹在内，能均匀地分散在丁苯橡胶内。 1 实验部分 1.1 原材料 丁苯橡胶原胶，亚亨化工；正硅酸四乙酯（TEOS），国药集团化学试剂有限公司。其他化学试剂均为分析纯试剂。 1.2 实验方法 丁苯橡胶环己烷溶液的制备。取40g丁苯橡胶，540mL环己烷，加入到圆底烧瓶中，边搅拌边加热，直到丁苯橡胶完全溶解于环己烷中，得到丁苯橡胶环己烷溶液。 正硅酸四乙酯反相微乳液的制备。取80g环己烷，18g CTAB和16mL正丁醇，加入到圆底烧瓶中，搅拌得到澄清液，向澄清液中边搅拌边加入20mL去离子水，搅拌到溶液再次澄清，加入24mL正硅酸四乙酯，搅拌均匀，得到正硅酸四乙酯反相微乳液。 白炭黑纳米增强丁苯橡胶复合材料的制备。将制得的丁苯橡胶环己烷溶液与正硅酸四乙酯反相微乳液混合并加入四口烧瓶中，向溶液加入8mL浓度为30%的氨水以促进溶液中正硅酸四乙酯水解成二氧化硅从而在溶液中形成纳米分散的二氧化硅并与丁苯橡胶复合，用水蒸气汽提干燥的方法除去溶液中环己烷，乙醇，丁醇以及部分水分，通水蒸汽10-20分钟后停止汽提，将四口烧瓶中的物质取出，蒸馏水冷洗3次，热洗2次以除去多余的CTAB，烘干后，即得到纳米白炭黑增强丁苯橡胶复合材料。 1.3 分析与测试 傅立叶红外光谱仪为美国尼高力公司生产的Impact 420型红外光谱仪，测试所得复合材料化学键的变化。用日本电子公司生产的JSM-5510LV型扫描电子显微镜观察复合材料中白炭黑的分散性、含量。采用德国布鲁克Bruker公司生产的D8 Advance型X射线衍射仪测试复合材料中白炭黑的粒径及结晶度,其EDAX能谱仪对白炭黑丁苯橡胶复合材料的元素含量进行分析。 2 结果与讨论 2.1 SiO2/SBR复合材料的傅立叶红外光谱（FT-IR）分析 图1 40%SiO2/SBR复合材料的红外吸收图谱 Fig.1 The FT-IR spectra of 40%SiO2/SBR 图1中可以看到，红外光透过样品时，在2919.30cm-1和1070.27 cm-1俩处都发生红外光的强吸收，透光度较小。在2919.30cm-1处对应的为饱和C-H伸缩振动峰。1070.27