實驗目的是研究改性納米Si3N4陶瓷粉體(tǐ)在EPDM中(zhōng)的應用(yòng)性能(néng)。納米Si3N4陶瓷粉體(tǐ)具(jù)有(yǒu)耐高溫、化學(xué)穩定性好，耐磨損，導熱性能(néng)好等優點，但納米Si3N4粉體(tǐ)具(jù)有(yǒu)高的表面能(néng)，一般不與聚合物(wù)相容，在聚合物(wù)中(zhōng)的分(fēn)散性不好。為(wèi)了使納米Si3N4粉體(tǐ)能(néng)夠均勻地分(fēn)散在橡膠中(zhōng)并與橡膠具(jù)有(yǒu)良好的相容性，對納米Si3N4進行表面改性。在EPDM中(zhōng)加入改性後納米Si3N4，能(néng)夠提高EPDM的綜合力學(xué)性能(néng)，延長(cháng)産(chǎn)品的使用(yòng)壽命。此次采用(yòng)實驗室自制的大分(fēn)子偶聯劑(BA-MAA-AN三元共聚物(wù))對納米Si3N4進行表面包覆處理(lǐ)，優化Si3N4使用(yòng)比例，設計EPDM制品的較佳配方與工(gōng)藝。
1 實驗部分(fēn)
1.1 實驗材料與設備
三元乙丙橡膠(EPDM)，金華星馬塑膠有(yǒu)限公(gōng)司産(chǎn)品；
納米Si3N4(平均粒徑20nm)，上海超威納米科(kē)技(jì )有(yǒu)限公(gōng)司；大分(fēn)子偶聯劑，實驗室自制産(chǎn)品；其它均為(wèi)市場常用(yòng)産(chǎn)品。
TEM為(wèi)日本TEOL公(gōng)司生産(chǎn)的JEM-100SX型透射電(diàn)子顯微鏡；密煉機K1 MK4，法萊爾公(gōng)司産(chǎn)品；平闆硫化機，型号：QLB-350×350×2，上海第一橡膠廠産(chǎn)品；DXLL-10000型電(diàn)子拉力試驗機，上海化工(gōng)設備有(yǒu)限公(gōng)司産(chǎn)品；LX-A型硬度儀，上海六中(zhōng)量儀器廠産(chǎn)品。
1.2 基本配方及納米Si3N4/EPDM複合材料試樣的制備
基本配方(質(zhì)量份phr)：EPDM 140；炭黑(N115)100；ZnO 5；硬脂酸1.0；防老劑RD 2.0；促進劑2.0；軟化劑25；硫化劑0.75；納米氮化矽和改性納米氮化矽(為(wèi)變量)0-2.0。
改性後納米Si3N4和EPDM在密煉機上混煉制得母煉膠，其它按照正常的混煉加料順序進行。硫化條件為(wèi)180℃×6min。
1.3 性能(néng)測試
硫化膠各項力學(xué)性能(néng)按相應标準測定。2 結果與讨論
2.1 TEM分(fēn)析
取未處理(lǐ)的納米Si3N4粉體(tǐ)和用(yòng)大分(fēn)子表面處理(lǐ)後球磨過篩的納米Si3N4粉體(tǐ)，溶解在丙酮溶劑中(zhōng)，用(yòng)透射電(diàn)子顯微鏡對其進行觀察。圖1(略)是未處理(lǐ)的粉體(tǐ)和用(yòng)7.5%(大分(fēn)子表面處理(lǐ)劑與納米Si3N4質(zhì)量比百分(fēn)數)的大分(fēn)子表面處理(lǐ)劑處理(lǐ)後的納米Si3N4粉體(tǐ)TEM照片(放大2萬倍)，處理(lǐ)前納米粉末有(yǒu)明顯的團聚現象，而處理(lǐ)後的納米粉末在丙酮中(zhōng)分(fēn)散均勻，團聚現象明顯降低。說明用(yòng)大分(fēn)子處理(lǐ)劑處理(lǐ)後，由于大分(fēn)子的極性鍵與Si3N4粉末表面的羟基或懸鍵之間容易發生物(wù)理(lǐ)鍵合或化學(xué)鍵合而包覆在納米顆粒的表面，連接在納米粉體(tǐ)末表面的大分(fēn)子處理(lǐ)劑的分(fēn)子鏈産(chǎn)生了互斥作(zuò)用(yòng)和空間位阻作(zuò)用(yòng)，所以可(kě)以降低納米顆粒的表面能(néng)，阻隔了顆粒之間的團聚。
2.2 力學(xué)實驗測試結果
表1 納米Si3N4/EPDM複合材料的機械性能(néng)
改性綱米Si3N4用(yòng)量(phr)
邵A硬度
拉伸強度(MPa)
斷裂伸長(cháng)率(%)
撕裂強度(MPa)
表1是改性Si3N4/EPDM複合材料力學(xué)性能(néng)測試結果。從數據可(kě)見，納米Si3N4的加入，對EPDM膠料的撕裂強度、拉伸強度和斷裂伸長(cháng)率都有(yǒu)明顯的提高，說明納米Si3N4作(zuò)為(wèi)補強材料，對EPDM橡膠起到了很(hěn)好的增強增韌作(zuò)用(yòng)，也證明大分(fēn)子偶聯劑在納米粒子和橡膠基體(tǐ)之間起到了很(hěn)好的化學(xué)連接作(zuò)用(yòng)，使得納米粒子和橡膠基體(tǐ)之間結合起來，從而發揮納米Si3N4的優異性能(néng)，提高複合材料的力學(xué)性能(néng)。
當表面處理(lǐ)後的納米Si3N4用(yòng)量增加到1.5份以上時，一方面，由于粒子過于接近，銀紋會組合成大的裂紋使複合材料力學(xué)性能(néng)下降。另一方面，由于粒子數目增多(duō)後，分(fēn)散更加困難，容易産(chǎn)生粒子團聚現象，由于團聚粒子表面缺陷會使基體(tǐ)橡膠損傷而産(chǎn)生應力集中(zhōng)。另外，當外力作(zuò)用(yòng)時，團聚粒子相互滑移，從而使複合體(tǐ)系綜合性能(néng)變劣。從提高複合材料的綜合力學(xué)性能(néng)來看，處理(lǐ)後的納米Si3N4用(yòng)量為(wèi)1.5份時較好。
2.3 改性納米Si3N4/EPDM複合材料耐磨性及膠管的動态耐久性對比試驗
表2 性納米Si3N4/EPDM合材料耐磨性及膠管的動态耐久性比較
項目
改性納米Si3N4用(yòng)量(phr)
3.0
摩擦次數(萬次)
8
破裂時間(小(xiǎo)時)
12
阿克隆磨耗量*(g)
0.2003
*注：JSK-b264标準，44.1N，15°1000轉
通過對比試驗，從表2中(zhōng)可(kě)以看出加入改性
納米Si3N4的EPDM橡膠管的動态耐久性能(néng)均有(yǒu)不同程度的提高。與不加改性納米Si3N4産(chǎn)品相比，加入1.5份納米Si3N4的EPDM橡膠管動态耐久性提高達十幾倍之多(duō)。另外，加入改性納米Si3N4的EPDM複合材料的耐磨性能(néng)均比未加樣有(yǒu)所提高，尤其加入1.5份改性納米Si3N4的EPDM複合材料的阿克隆磨耗量從0.2003g降至0.0694g。所以，可(kě)以得出實驗結論加入1.5份改性納米Si3N4後，對改善産(chǎn)品的耐磨性、耐久性和提高橡膠管的使用(yòng)壽命效果較好。
3 結論
(1)TEM觀測表明，用(yòng)大分(fēn)子表面處理(lǐ)劑處理(lǐ)納米Si3N4粉體(tǐ)後，納米Si3N4粉體(tǐ)在有(yǒu)機溶劑中(zhōng)分(fēn)散均勻，納米顆粒粒徑減小(xiǎo)，明顯阻止了納米顆粒的團聚。
(2)在EPDM中(zhōng)添加用(yòng)大分(fēn)子偶聯劑處理(lǐ)的納米Si3N4，在一定程度上提高了EPDM的拉伸強度、撕裂強度、斷裂伸長(cháng)率等力學(xué)性能(néng)，其中(zhōng)添加1.5份改性納米Si3N4的EPDM綜合力學(xué)性能(néng)效果較佳。
(3)在EPDM中(zhōng)添加用(yòng)大分(fēn)子偶聯劑處理(lǐ)的納米Si3N4，EPDM的耐磨性及膠管的動态耐久性明顯提高，其中(zhōng)添加1.5份改性納米Si3N4的耐磨性及膠管的動态耐久性能(néng)優異。
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