纳米二氧化硅在PVC中的应用

PVC/超细二氧化硅复合材料的制备及其性能研究

超细SiO2因其粘合力强、比表面积大、分散性好、光学性能和机械性能优良，广泛应用于催化剂载体、高分子复合材料、电子封装材料、精密陶瓷材料、橡胶等诸多行业的产品中。由于超细二氧化硅与PVC结构相差甚远，很难将其均匀分散在PVC中，需要对二氧化硅进行表面改性。本实验采用的改性剂硅烷偶联剂遇水极易分解，若将其直接滴加在水溶性二氧化硅溶胶中，实验很难成功。因此，作者首先用BS-12将二氧化硅从水溶胶中沉淀出来，然后与无水乙醇共混进行常压蒸馏将大量的水带出，再加入硅烷偶联剂进行改性，使二氧化硅表面接枝上大分子支链。然后利用常规聚合物共混加工手段，将改性后的超细微粒填充入聚合物中，使PVC的性能得到了改善。

1 实验

1.1 主要材料

纳米SiO2溶胶，安徽科纳新材料有限公司； KH-560硅烷偶联剂，南京大学应化所； PVC，SG5型，葫芦岛锦化聚氯乙烯有限公司； ACR，201型，山东莱芜市合成化工厂； 超细碳酸钙，工业级，江西永平永发轻钙厂； 三盐基硫酸铅、环氧大豆油、BS-12、聚乙烯醇，均为工业纯，市售。

1.2 仪器及设备

转矩流变仪，XSS-300，上海轻工机械公司；开炼机，XK-160，南京橡塑机械厂；平板硫化机，QLB350×350×2，无锡市第一橡塑机械厂；万能实验机；RGT-30A，深圳市瑞格尔仪器有限公司；冲击试验机，JB6，吴忠材料实验机厂；扫描电镜，JSM-5610LV。

1.3 纳米二氧化硅的表面处理

在250 mL三口瓶中，加入100 g纳米SiO2溶液，搅拌。将适量的聚乙烯醇和BS-12缓慢滴加入纳米SiO2溶液中，使溶液变成膏状。加入50 g无水乙醇，强烈搅拌0.5 h，调低转速，加热到液体共沸温度83℃开始常压蒸馏，待体系变粘稠时，停止加热，冷却至室温。重复以上操作三次，再加入50 g乙醇，强烈搅拌后，滴加1.5 g KH-560，在70℃以下反应2 h，蒸馏，将所得粉体在50℃下真空干燥，研磨。

1.4 试样制备

将各种物料称重混匀后，在密炼机上进行密炼。密炼机转速50 r/min，温度175℃，密炼时间10min。从密炼机出料后在开炼机上进行开炼，然后在平板硫化机上模压成型，时间为10min，温度180℃。

1.5 性能测试

1.5.1 冲击强度的测定，按国家标准GB043-79测试。

1.5.2 拉伸、屈服强度及断裂伸长率的测定

将厚片制成哑铃型，测量其长、宽、厚，在万能实验机上进行测试，室温25℃，速度4 mm/min。 2 结果与讨论 2.1 最佳沉淀率 称取100 g纳米SiO2溶胶，加热到70℃左右，然后将一定量的BS-12滴加入其中，边加边搅拌。抽滤，干燥，称重。所得数据见表1。

表1 BS-12用量对沉淀率的影响

Tab.1 The effect of BS-12 dosage On deposition rate BS-12用

1.2 1.5 1.8

2.1 2.4 2.7

3.0

量/ g

沉淀量/g 11.5 14.5 25.7 26.1 27.6 17.5 25.2 沉淀率/% 38.33 48.33 85.67 87.00 92.00 91.67 84.00 注：沉淀率的计算：沉淀率＝(沉淀量/30)×100% 从表1中可以看出，不能将二氧化硅完全沉淀，其最佳沉淀量为92%，此时的二氧化硅粒径通过扫描电镜观察，为1μm左右。

2.2 偶联剂含量对复合材料力学性能的影响

对超细微粉实施表面改性处理是防止其团聚、实现其在基体中良好分散的有效途径之一。而偶联剂的用量对超细粒子填充聚合物的性能有较大的影响。图1(略)是偶联剂含量对超细SiO2填充聚氯乙烯(其中PVC和SiO2用量比为100/3)的冲击强度和拉伸强度的变化曲线，随着偶联剂含量的增加，拉伸强度和冲击强度增加，大约在5%时达到最大值，再加大偶联剂用量时，其力学性能则不升反降。这表明，加入适量偶联剂，改善了二氧化

硅粒子在基体中的分散及PVC大分子与二氧化硅粒子的兼容性，提高了超细二氧化硅粒子与聚合物基体间的界面粘合作用，使二氧化硅粒子不易与聚合物基体脱粘，有助于提高复合材料的力学性能；而过量的偶联剂反而形成柔性界面、成为缺陷，降低了界面粘接力，使复合材料的力学性能降低。

2.3 纳米粒子含量对PVC复合材料力学性能的影响

图2、3(略)是不同含量SiO2粒子填充聚氯乙烯复合体系力学性能变化曲线。可以看出，随着二氧化硅用量的增加，聚氯乙烯复合材料的拉伸、冲击强度和断裂伸长率以及屈服强度均逐渐增大，当二氧化硅含量为3%时，均达到最大值。与未加二氧化硅的聚氯乙烯复合材料相比，该复合材料的拉伸强度提高了约18.8%，而冲击强度提高了116.7%，屈服强度提高了21.4%，断裂伸长率提高了69.5%。 2.4 PVC/超细SiO2复合材料扫描电镜分析从PVC/超细SiO2复合材料的SEM照片中可以看出PVC为连续相，SiO2与PVC的界面粘接较好，还可观察到许多微孔穴和微裂纹的存在，容易吸收冲击能，从而保证SiO2对PVC的增强增韧作用。

3 结论

超细SiO2在一定用量范围内可提高PVC的力学性能。PVC/超细SiO2复合材料中，在提高力学性能的前提下，SiO2与PVC 的最佳用量比为3/100(质量比)，偶联剂与SiO2的最佳用量比为5/100(质量比)。