硅藻土表面改性及填充橡膠研究進展

賈紀光，高惠民，魏 波，任子杰

（武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070）

【行業發展】

硅藻土表面改性及填充橡膠研究進展

賈紀光，高惠民，魏 波，任子杰

（武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070）

硅藻土具有較大的比表面積，良好的吸附性及較強的化學穩定性，可廣泛應用于食品、環保、化工等行業。為了滿足特殊吸附以及填充復合材料的需要，硅藻土需經過改性才能達到良好的效果，本文對硅藻土表面改性技術進行了綜述，闡述了硅藻土填充橡膠研究進展，硅藻土在橡膠中可代替白炭黑，具有較好的補強作用。

硅藻土；表面改性；橡膠

硅藻土是含硅質生物的沉積巖，即由硅藻遺體沉積形成的，硅藻結構中大量細小的孔、洞及通道，使其具有很大的比表面積，造就了硅藻土的許多特殊性能及用途[1]。通過對硅藻土進行改性，使其能夠作為有效的吸附材料或填充材料更廣泛地應用，對于充分利用我國豐富的硅藻土資源具有重要意義[2-3]。

1 硅藻土表面改性研究現狀

1.1 加入Al3+改性硅藻土吸附磷

Al3+改性的硅藻土作為吸附劑，對于含磷廢水的處理具有較好效果。黨瑋等[3]制備了一種Al3+改性的硅藻土，將硅藻土原土干燥、粉碎、研磨，至105～110℃烘箱內烘干2h。稱取一定量的氫氧化鈉和改性劑(氯化鋁)，對初步處理后的硅藻土進行活化改性處理，用恒溫磁力攪拌器在常溫下攪拌2h，過濾后，放入馬弗爐中450℃烘焙2h，經改性后的硅藻土處理含磷廢水，常溫酸性條件下就具有很好的吸附效果。羅智文等[4]制備硫酸亞鐵和聚丙烯酰胺改性的硅藻土，通過改性試驗提高了1倍左右的硅藻土吸附氨氮的能力，具有很好的應用前景。

1.2 表面改性硅藻土吸附水中活性艷紅

張麗芳[5]在用高錳酸鉀改性硅藻土吸附活性艷紅染料試驗研究中，將一定濃度的高錳酸鉀溶液與硅藻土混合后煮沸，在不斷攪拌下，緩慢滴入適量的濃鹽酸，不斷攪拌以防止溶液底部發生沉淀聚集，溶液煮沸1h，在室溫下冷卻放置2h后過濾，用蒸餾水洗滌多次，經試驗測試發現在濃度0.15mol/L改性硅藻土吸附劑對染料艷紅的吸附率可達96%。當吸附體系pH值為4～6時，吸附效果最好，繼續增加濃度，吸附率降低，隨著高錳酸鉀的濃度升高，硅藻土負載的錳氧化物的質量也隨之增加[6]，改性硅藻土的吸附效果也隨之增強。繼續增加高錳酸鉀濃度，吸附率開始降低，這可能是由于負載過多的錳氧化物減小了硅藻土表面積所致。

1.3 改性硅藻土吸附重金屬離子

為了提高硅藻土對污水中重金屬離子的吸附作用，對硅藻土表面性能進行改性處理，改變硅藻土的表面結構特征，其目的是通過改性手段提高硅藻土的比表面積和表面負電荷[7]，從而達到提高硅藻土對重金屬吸附能力的目的，而較多研究者采用金屬氧化物對天然硅藻土進行改性。Wu等[8]利用Al2O3和石灰對天然硅藻土進行改性，Aldegs等[9]利用錳氧化物對硅藻土進行改性，羅道成等[10]利用體積分數為10%的溴化十六烷基三甲銨溶液改性硅藻土并對某電鍍廠電鍍廢水進行吸附處理試驗，進行了對水中Pb2+、Cu2+、Zn2+的吸附與解吸及電鍍廢水中Pb2+、Cu2+、Zn2+的吸附研究，取得了很好的效果。

蔡慧林等[11]在碳酸鈣改性硅藻土的制備及其吸附性能研究中，取定量的32目和65目篩之間的硅藻土置于燒杯中，先加入定量的Na2CO3溶液，再滴加定量的飽和CaCl2溶液，邊滴加邊緩慢攪拌。反應結束后過濾，濾渣于105℃干燥后，再研磨過32目和65目篩，取兩篩之間的改性硅藻土。試驗測定，經改性后的硅藻土對Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+吸附作用提高了2～3倍，這是由于改良后的硅藻土被CaCO3覆蓋，CaCO3顆粒與硅藻土之間形成了較多的微孔所致。

1.4 硅藻土基復合材料的改性

烏蘭[12]在氮氣環境下，通過一定的水浴溫度加熱使丙烯酰胺熔化，并利用超聲波分散硅藻土粉體以促進反應，完成了硅藻土對吸水性有機物丙烯酰胺的吸附，同時通過加入合適交聯劑和引發劑改善材料的吸水性。最后經烘干、粉碎、真空干燥制取了具有良好吸水性的復合材料。丁銳等[13]在真空狀態下，采用水浴恒溫加熱用硅藻土吸附了有機相變材料PCM，利用硅藻土的結構固定了PCM，同時增加了相變材料的傳熱面積和傳熱效率，制備出了成本低廉、熱效率高的節能材料。

商平等[14]用KH570為改性劑對品位90%以上的硅藻精土進行改性。取一定量的硅藻土于燒杯中，加入用乙醇稀釋的偶聯劑KH570，偶聯劑用量為硅藻土質量的2%，充分攪拌后加入到丙酮中，超聲波處理20min，在攪拌情況下加入環氧樹脂升溫至75℃脫出溶劑，在電磁攪拌機上攪拌1h，冷卻，加入潛伏性固化劑攪拌均勻后置于180℃烘箱中固化制得環氧樹脂/改性硅藻土復合材料。試驗表明，在硅藻土含量為9%時，其熱性能、耐磨性、拉伸剪切強度都有很大的提高。

1.5 煅燒高嶺土/硅藻土復合填料表面改性

鄭水林等[15]采用研磨加工后的煅燒高嶺土/硅藻土復合填料為原料研究了表面改性劑配方、用量、改性時間等工藝條件對這種復合填料活化指數的影響，并借助紅外光譜研究了表面改性劑與復合填料表面的作用機理。試驗用的煅燒高嶺土，取自陜西榆林高嶺土廠，d50=3.3μm、d97=9.8μm；硅藻土取自內蒙古包頭助廠，d50=3.8μm、d97=10.3μm。m(高嶺土)∶m(硅藻土)=0.618∶0.382的比例混合并在實驗室攪拌球磨機中研磨復合一定時間后用作表面改性試驗的填料，選用硬脂酸和硅烷(A174)作為改性劑，分別研究了兩種表面改性劑的配比、用量、改性時間對復合填料活化指數的影響。

煅燒高嶺土/硅藻土復合填料表面改性的工藝條件是改性劑配方為m(硬脂酸)∶m(硅烷偶聯劑)=1∶1、改性劑用量1.5%、溫度80℃、時間15min。改性劑與煅燒高嶺土/硅藻土復合填料表面的作用機理是：硬脂酸和硅烷偶聯劑分子分別以物理吸附和與復合填料表面的羥基形成氫鍵并縮合成Si-O-M鍵(M為填料表面)的形式包覆于煅燒高嶺土/硅藻土復合填料表面。

2 硅藻土填充橡膠

2.1 淺色橡膠制品

在橡膠工業中硅藻土可用作天然橡膠、合成橡膠的補強填充劑，增強硫化膠的物理機械性能。尤其是在淺色橡膠制品中應用，可替代補強劑白炭黑或者部分取代炭黑的作用，能使硫化膠體現比較理想的硫化特性，良好的物理機械性能。

重慶橡膠研究所和阜新橡膠有限責任公司[16]在黑色膠料和白色膠料中分別填加硅藻土進行試用。黑色膠料基本配方(份)：NR 30、SBR 70、硫黃 1.5、促進劑 1.5、ZnO 5.0、硬脂酸 2.5、防老劑BLE 2.0、石蠟 1.0、高耐磨爐黑 30、輕質碳酸鈣 25、古馬隆樹脂 10、軟化劑 15、白炭黑 30，總計 223.5。淺色膠料基本配方(份)：NR 50、SBR 50、硫黃 3.0、促進劑 2.0、ZnO 10、硬脂酸 2.0、防老劑 RD 1.0、石蠟 2.0、古馬隆樹脂 10、白炭黑 35、輕質碳酸鈣30、軟化劑 10，總計 205。

結果表明，硅藻土對橡膠有良好的補強填充功能，尤其在無污染的淺色橡膠制品中，其補強性能與白炭黑相當，硅藻土與白炭黑并用補強效果更好。操作加工容易，有利于炭黑在膠料中分散，壓出來的膠料表面光滑、粘度提高、收縮減少、縮短硫化時間、減少硫化促進劑的用量、還能降低生產成本，從而使企業獲得提高產品質量，降低成本的良好效果[17]。

2.2 氟橡膠

陳軍等[18]在填料形態及加工工藝與氟橡膠拉伸性能關系試驗中，研究了2種不同形態的填料/FKM體系及加工工藝與混煉膠拉伸性能之間的關系。結果表明：不同形態填料在不同的混煉工藝條件下對氟橡膠混煉膠影響反映在不同的方面，對于高縱橫比的填料而言，混煉工藝的改變將對混煉膠的拉伸性能產生一定影響。

汪必寬等[19]研究了硅藻土等5種填料對氟橡膠硫化特性、力學性能及老化性能的影響。試驗結果表明，添加進口硅藻土MW-25對氟橡膠強度提高最為明顯，且具有良好的老化、硫化性能，優異的回彈性、低壓縮永久變形性能及良好的加工性。

進口硅藻土比國產硅藻土填充的橡膠在補強、密度、回彈性、老化性能等差別較大，可能的原因：國產硅藻土松散密度與濕密度高，多數呈羽壯結構且形狀各異，在宏觀表現出性能的不穩定性；進口硅藻土粒徑細且分布均勻、比表面積大、硅含量高，進口硅藻土MW-25的竹狀中空結構比較規則，納米孔多，這種以竹狀中空為主的結構，其粒子與橡膠分子的接觸面積增大，接觸距離減小，提高了粒子與橡膠分子的結合強度，且硅藻土基體中形成大量高活性表面或高活性點，從而大大增強了對氟橡膠的補強作用[20]。

2.3 鞋底橡膠

硅藻土與白炭黑有相似的結構和性能，均屬非晶質SiO2，化學式相同(SiO2·nH2O)，亦具有耐酸、耐高溫及良好的電絕緣性和分散性，可在橡膠等行業應用。用長白一級土加工成橡膠補強劑作鞋底膠填料試驗，多次試驗結果表明，拉伸強度、拉斷伸長率等項指標均達到部頒標準，用戶反映比用白炭黑硫化時間短，分散性好，只是磨耗略高，與白炭黑配合使用可降低磨耗，配比1∶1時效果最佳[21]。

2.4 天然橡膠

廖經慧等[22]采用硬脂酸改性硅藻土，將改性后的硅藻土替代白炭黑添加到天然橡膠中研究經硬脂酸改性的硅藻土對天然橡膠性能的影響，通過活化指數和在有機溶液中的沉降時間等測試，發現由2.0%硬脂酸改性的硅藻土能提高橡膠制品拉伸強度12.1%，撕裂強度提高了17.8%，300%的定伸應力提高了40%。

薛兵等[23]用炭化處理高燒失量硅藻土，將改性后的硅藻土添加到橡膠中，在炭化硅藻土替代量達到25%時，炭化硅藻土比炭黑具有更好的補強效果，橡膠試樣的拉伸強度和撕裂強度分別提高了15%和8%，作用機理是經過缺氧煅燒處理的硅藻土，在硅藻殼表面包覆了一層無定形碳，而無定形碳的存在具有類似炭黑的作用，即提高橡膠分子鏈的交聯性，有利于增加硅藻土與橡膠的相容性。同時，多孔的硅藻土可以捕獲插入孔道中的橡膠分子鏈，使聚合物的分子鏈牢固地吸附在硅藻土表面，提高橡膠的力學性能。

3 結語

硅藻土表面改性在處理水污染方面效益良好，為硅藻土資源開辟了新的市場；硅藻土對橡膠有良好的補強填充作用，可以替代或部分替代白炭黑，提高物理機械性能，在橡膠制品中應用，起到降低成本、提高經濟效益的作用，作為一種補強材料是很有前途的。

目前，對硅藻土的改性與深加工產品利用主要集中在污水處理、制備新型復合橡膠等方面。隨著對硅藻土產品的進一步研究與發展，硅藻土更多的新用途將不斷被發現，發展前景將會更加廣闊。

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Progress on Researching of Diatomaceous Earth Surface Modification and Fill in the Rubber

JIA Ji-guang, GAO Hui-min, WEI Bo, REN Zi-jie
(School of Resources and Environment Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Diatomite has a larger specific surface area, good adsorption and strong chemical stability, which can be widely used in food, environmental protection, chemical industry, etc. In order to meet the needs of specific adsorption and filled composites, diatomite has been modified to achieve a good effect, the article of diatomaceous earth surface modification are reviewed; At the same time, this paper expounds the diatomaceous earth filling rubber research progress of diatomite can instead of white carbon black in rubber, has good reinforcing effect.

diatomite; surface modification; rubber

P619.254；TQ330.383

A

1007-9386(2014)05-0001-03

2014-05-12

“十二五”國家科技支撐計劃課題(2011BAB03B07)；武漢理工大學自主創新研究基金項目(136808002)。