納米二氧化硅的表面改性研究

阮 娟，王 君，陳明強

(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

納米二氧化硅的分子狀態(tài)呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其分子簡式為SiO2-x(x為0.4～0.8)[1]。納米二氧化硅的表面存在不同鍵合狀態(tài)的羥基，且因缺氧而偏離了穩(wěn)態(tài)的硅氧結(jié)構(gòu)[2]。納米二氧化硅表面有3種硅羥基(圖1)：一是單生自由硅羥基(Isolated hydroxyl)，對極性物質(zhì)有很強的吸附力；二是連生締合硅羥基(Coupling hydroxyl)；三是雙生硅羥基(Doubled hydroxyl)。

圖1 納米二氧化硅的表面特征

納米二氧化硅俗名白炭黑，在有機高分子體系中具有優(yōu)良的補強性能，主要應(yīng)用于橡膠的補強[3]。但由于其表面能高，處于熱力學(xué)非穩(wěn)定狀態(tài)，極易聚集成團，不易與有機物充分混合。同時二氧化硅表面親水疏油，在有機介質(zhì)中難于均勻分散，與有機體之間結(jié)合力差，易造成界面缺陷，使復(fù)合材料性能降低[4]。為此，必須對其進(jìn)行表面改性，減弱二氧化硅表面的極性，降低二氧化硅表面的能態(tài)，以改善納米二氧化硅的分散性及其與有機基體間的相容性[5，6]。

1 實驗

1.1 材料及試劑

納米SiO2(含80%水分)，從稻殼裂解殘渣中自行提取[7]；改性劑A、B、C。

1.2 方法

稱取50 g納米SiO2于燒杯中，然后加入一定量的改性劑，攪拌30 min，倒入試管中，用保鮮膜密封，靜置。間隔一定的時間觀察水層高度(據(jù)此判斷改性效果)，記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同劑量改性劑對納米二氧化硅的改性效果(圖2、圖3)

圖2 未改性納米二氧化硅的水層高度隨時間的變化曲線

圖3 不同劑量改性劑對納米二氧化硅水層高度的影響

比較圖2、圖3可知，改性劑A、B的劑量分別在1.3%、0.9%時改性效果最好，而改性劑C的改性效果隨劑量的增加越來越好，本實驗范圍內(nèi)在1.5%時效果最好。改性劑A、B、C均是聚合物，其中C是一種水性的天然聚合物。這三種聚合物對納米二氧化硅的改性均為表面接枝改性，使納米二氧化硅的表面包覆大分子高聚物，阻止了其粒子間的相互作用，從而達(dá)到分散的作用。

2.2 攪拌方式對改性效果的影響(圖4)

由圖4可知，當(dāng)攪拌方式為超聲波振蕩時，水層高度較小，改性效果較電動攪拌好；且分散劑B在最優(yōu)劑量下的改性效果較A、C要好。這可能是因為，在超聲波場的作用下，加入的改性劑部分粗顆粒被振碎而使其平均粒徑減小[8]，導(dǎo)致改性劑與納米二氧化硅的接觸面積增大，從而混合得更均勻，改性效果得到提高。

圖4 攪拌方式對改性效果的影響

3 結(jié)論

(1)改性劑A、B、C對納米二氧化硅的最優(yōu)劑量分別是1.3%、0.9%、1.5%，其中改性劑C的改性效果隨劑量增加而越來越好。最優(yōu)劑量下改性劑B的效果明顯優(yōu)于改性劑A、C。

(2)超聲波振蕩下納米二氧化硅的改性效果明顯優(yōu)于電動攪拌。

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