硅烷對填料的分散.doc

硅烷對填料的分散通常，填充或增強聚合物的性質(zhì)取決于填充粒子的尺寸、形狀和表面特性。對于一個給定的體系而言，影響力學(xué)、電學(xué)或光學(xué)性能的一個最為重要的參數(shù)就是填充粒子的分散性。眾所周知，大的聚集成團(tuán)會形成裂縫，導(dǎo)致力學(xué)破壞。人們廣泛使用硅烷來幫助填料分散。我們假定了它們在分散過程中的角色，但是沒有證據(jù)說明它們的作用方式。 圖1：填料的聚集與分散圖2：聚集團(tuán)塊分散方式示意圖 分散機(jī)理 加工混合物的第一個挑戰(zhàn)就是填料的分散性。必須將大的團(tuán)塊分解成更小的部分，稱之為聚集體，但是大小不能到達(dá)原始粒子的量級，如圖1。在特定的應(yīng)用中，必須獲得最佳的粒子尺寸分布以達(dá)到最佳的性能。 在混合物的混煉過程中，機(jī)械剪切誘導(dǎo)填料在母體中的分散和分布。在分散混合中，目標(biāo)就是將團(tuán)塊和可能的聚集體破壞掉，分成尺寸均一的碎片。這些碎片必須均勻分布在母體中，以確保最終混合物的性質(zhì)均一。然而，用這種方法將填料粒子粉碎通常被證實是相當(dāng)困難的。即便是在用于輪胎胎面的二氧化硅填充橡膠情況下，分散填料需要額外的efforts，多達(dá)總量15到20的可高度分散的二氧化硅仍然處在宏觀的分散狀態(tài)（團(tuán)塊超過5微米）。 作用在粒子團(tuán)塊上的流體動力學(xué)力和將團(tuán)塊連接在一起的粘合力之間存在競爭，決定分散混合。流體動力學(xué)力由剪切應(yīng)力產(chǎn)生的流體場的強度和幾何學(xué)所決定，而粒子與粒子的相互作用力以及單個粒子再聚集團(tuán)塊堆砌排列，決定聚集體的粘附性。 人們廣泛研究了分散機(jī)理。區(qū)分出兩種方式的分散：本體破裂（聚集團(tuán)塊突然破裂成很多大的碎片）和沖蝕（從聚集體的周圍連續(xù)除去小的碎片）（如圖2）。高流體力學(xué)應(yīng)力（強的剪切）支持本體破裂機(jī)理。這種機(jī)理突然發(fā)生，并迅速導(dǎo)致聚集體尺寸減小。沖蝕機(jī)理要慢一些，但是會使最終的聚集體尺寸更小。增大流體動力學(xué)力導(dǎo)致沖蝕引起的分散向破裂引起的分散轉(zhuǎn)移。影響填料分散的因素 一些物理和化學(xué)因素會影響分散過程，包括填料聚集體的結(jié)構(gòu)和粘附性，填料的表面活性，聚合物和填料之間的化學(xué)作用以及聚合物向聚集體內(nèi)的任何滲透。 結(jié)構(gòu)，也就是說填料原始粒子的堆砌排列，是主要取決于填料合成路線的本質(zhì)性參數(shù)。水銀孔隙度計表征這一參數(shù)，得出具有很好分辨率的孔大小分布。 聚集體的粘附性取決于相鄰粒子間單個鍵的強度以及為了釋放一個碎片必須破壞的鍵的數(shù)目。單個鍵的強度由粒子的組成和表面特性（靜電力、范德華力和氫鍵），以及來自二級組分的作用，例如接枝或吸附到粒子表面的硅烷所決定。舉例來說，硅烷通過屏蔽聚集體間的相互作用能降低聚集體的粘附性，從而降低破壞聚集體所需要的流體力學(xué)應(yīng)力。 一旦將填料和聚合物混合在一起，母體就會向聚集體滲透。聚合物向聚集團(tuán)塊滲透的作用是填料分散的一個一級參數(shù)。這對填料的分散性能具有正面或負(fù)面的影響。例如說，如果它在聚集體產(chǎn)生橋接，那么聚集體的黏附力就得到增強，導(dǎo)致分散的延遲（例如CaCO3和二氧化硅填充的硅樹脂）。硅烷對分散的影響 我們知道，用硅烷對填料進(jìn)行處理可以改善分散行為，但是作用的機(jī)理還沒有完全明了。它改變了聚合物向聚集團(tuán)塊的滲透，或者僅僅改變了填料的表面化學(xué)性質(zhì)？ 對滲透的影響 文獻(xiàn)中并未廣泛描述硅烷對聚合物向聚集團(tuán)塊滲透的影響。Scurati等人通過沖蝕動力學(xué)研究考查分散，在流體場中監(jiān)視填料壓縮引起的已知密度的單個聚集團(tuán)塊尺寸的減小。他們的工作集中于對聚集團(tuán)塊進(jìn)行硅烷預(yù)處理的影響。他們觀察到，處理后的聚集體尺寸減小，丁苯橡膠向重(3-三乙氧基)四硫烷偶聯(lián)劑（TESPT）中滲透的速率要比未處理的填料低。這些結(jié)果可以解釋成是由于聚合物與填料的相互作用和聚集團(tuán)塊堆砌性質(zhì)的改變。這項研究工作也表明硅烷對沖蝕動力學(xué)有著戲劇性的影響，如圖3。 圖3：低粘度聚合物向二氧化硅填料滲透動力學(xué)圖4：用不同比例正辛基硅烷處理過的二氧化硅填充丁苯橡膠的不溶聚合物有機(jī)硅烷單層的烷基長度對不溶聚合物的影響 對表面能的影響 文獻(xiàn)中報道了一些研究，關(guān)于用不同硅烷處理的二氧化硅填料的表面性質(zhì)和表面處理對填料與填料以及填料與聚合物相互作用的影響。很明顯地，硅烷處理降低了表面能的分散項和特定項。 表示聚合物與填料的相互作用，與束縛在填料表面且通過溶劑萃取不能從填料中分離出來的聚合物相關(guān)。因此，硅烷處理對橡膠混合物中使用的二氧化硅的影響可以通過測量溶劑萃取后的不溶聚合物來確定。圖4表示用烷基硅烷對丁苯橡膠中的二氧化硅處理的例子。不溶聚合物的減少可能歸因于表面能分散項的改變。 硅烷對貢獻(xiàn)于本體性能的界面相的影響 亞微粒填料通常被劃分成增強填料，原因是如果分散良好的話，他們能在聚合物中形成很大的界面（見附表）。例如說，在100g聚合物中，20體積份數(shù)的200m2/g的二氧化硅能產(chǎn)生超過5000m2的界面。用有機(jī)硅烷對表面進(jìn)行硅烷化可以影響到1到5nm厚的一層聚合物，對應(yīng)每100g中5到25g。圖5顯示了硅烷對二氧化硅填充橡膠的動態(tài)力學(xué)性能的影響。硅烷的有機(jī)功能團(tuán)是辛基基團(tuán)。用硅烷處理后，非線性行為（Payne效應(yīng)）大大降低，而不改變二氧化硅的分散性。 硅烷所起的作用比單一的表面能改變要更復(fù)雜。在界面相區(qū)域發(fā)生內(nèi)擴(kuò)散現(xiàn)象，形成互穿網(wǎng)絡(luò)，這對最終的性能至關(guān)重要。因此，對互穿網(wǎng)絡(luò)的形成進(jìn)行優(yōu)化值得高度重視，考慮到與母體和填料的相容性，選擇合適的有機(jī)硅烷非常關(guān)鍵。UID1340帖子432精華0積分339閱讀權(quán)限20性別男在線時間245 小時注冊時間2005-1-10最后登錄2008-10-3查看詳細(xì)資料TOP 結(jié)論：在填充聚合物復(fù)合物中，有機(jī)硅烷被廣泛使用來幫助填料的分散，包括亞微填料。硅烷所起的確切作用并未完全明了，但是，隨引入的官能團(tuán)、數(shù)量和方法而定，能在不同的水平上觀測硅烷的作用，包括