硅藻土-白炭黑-Si69偶联剂-硅橡胶复合材料性能研究

摘要：采用机械共混法制备硅藻土-白炭黑-Si69偶联剂-硅橡胶复合材料，分析硅藻土与白炭黑的配比、Si69偶联剂用量对复合材料硫化性能、物理机械性能和绝缘性能的影响。结果表明：随着硅藻土用量的增加，复合材料的工艺正硫化时间先增加后减小，表面电阻率和体积电阻率呈现先升高后降低的趋势，物理机械性能下降。当硅藻土与白炭黑的配比为10∶10时，用3份Si69偶联剂进行改性，复合材料的撕裂强度、扯断伸长率以及绝缘性能都较好。

关键词：硅藻土；白炭黑；硅橡胶；绝缘性能

中图分类号：TQ330.3 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）09-00-04

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Study on the Properties of Diatomite-Silica-Si69-Silastic Composite

FANG Xiaojing， LUO Zhenggang， WANG Zaixue， YANG Meng， ZHANG Zhaohong

（Xuzhou College of Industrial Technology， Xuzhou 221140， China）

Abstract： The diatomite-silica-Si69-Silastic composites were prepared by mechanical blending. The effects of the ratio of diatomite-silica and the amount of Si69 on the vulcanization， physical and mechanical properties， and insulation properties of the composite were investigated. The results showed that the process vulcanization time first increased and then decreased， and both the surface resistivity and volume resistivity showed a trend of first increasing and then decreasing with the increase of the amount of diatomite， resulting in a decrease in physical and mechanical properties. When the ratio of diatomite to silica is 10∶10， and 3 parts of Si69 was used for modification， the composite material exhibited excellent tear strength， elongation at break， and insulation properties.

Keywords： diatomite; silica; silastic; insulation performance

有机硅类聚合物是近年来发展最快的单质聚合物，也是最早进入工业化生产的单质聚合物[1]。硅橡胶是一种由二硅醇缩聚而成的线性半有机聚合物，它是以重复性Si-O键为主链，侧基上带有机基团[2]。这种特殊的结构赋予硅橡胶特殊的物理化学性质，如耐高低温、耐紫外、耐辐照、耐候及电绝缘等[3]。因此，硅橡胶在航天航空、电子电气、轻工、机械等领域得到了广泛应用[4]。

近年来，利用硅烷偶联剂等有机改性剂对硅藻土进行改性，加入橡胶材料中制备复合材料成为研究热点[5]。硅藻土在成分和构成上基本和白炭黑一致，但硅藻土资源丰富、价格低，因此研究硅藻土在橡胶中的应用具有重要的意义[6]。利用机械共混法制备复合材料，研究复合材料的硫化特性、物理机械性能和绝缘性能等[7-9]。

1 材料与方法

1.1 主要原材料

主要原材料包括甲基乙烯基硅橡胶、硅藻土、沉淀白炭黑、过氧化二异丙苯、羟基硅油及Si69偶联剂。其中，甲基乙烯基硅橡胶由东爵有机硅集团有限公司生产，硅藻土由赛力特硅藻土公司生产，沉淀白炭黑由山东海化股份有限公司生产，过氧化二异丙苯由广州金昌盛科技有限公司生产，羟基硅油由济南兴飞隆化工有限公司生产，Si69偶联剂由南京经天纬化工有限公司生产。

1.2 主要设备

主要设备包括XK（S）-160型开炼机、M2000-F型硫化仪、7080S2型门尼黏度仪、BY12-EST121型高阻计、XYE-25D型平板硫化机、JDL-2500N型电子式拉力试验机及LX-A型邵氏橡胶硬度计。其中，XK（S）-160型开炼机由无锡第一橡塑机械有限公司生产，M2000-F型硫化仪、7080S2型门尼黏度仪、BY12-EST121型高阻计由中国台湾高铁科技股份有限公司生产，XYE-25D型平板硫化机由上海西玛伟力橡塑机械有限公司生产，JDL-2500N型电子式拉力试验机、LX-A型邵氏橡胶硬度计由江苏新真威试验机械有限公司生产。

1.3 试验配方

试验配方如表1所示。

1.4 试样制备

将甲基乙烯基硅橡胶在开炼机上包辊，依次加入过氧化二异丙苯、羟基硅油、白炭黑、硅藻土及Si69偶联剂，混炼均匀制成混炼胶，下片停放待用[10-12]。将混炼胶在平板硫化机上硫化成试片，硫化温度为170 ℃，硫化时间为T90+5 min，硫化压力为10 MPa。其中，T90表示工艺正硫化时间。

1.5 性能测试

依据《橡胶用无转子硫化仪测定硫化特性》（GB/T 16584—1996）测试混炼胶硫化特性，测试温度为170 ℃。依据《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》（GB/T 528—2009）和《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定》（GB/T 529—2008）分别测试硫化胶的拉伸性能和撕裂性能。依据《硫化橡胶绝缘电阻率的测定》（GB/T 1692—2008）测试硫化橡胶的绝缘电阻率，试样规格为100 mm×100 mm×2 mm。

2 结果与讨论

2.1 硅藻土与白炭黑的配比对复合材料性能的影响

从硫化特性、物理机械性能、绝缘性能3个方面分析硅藻土与白炭黑的配比对复合材料性能的影响。

2.1.1 硫化特性

复合材料的硫化特性如表2所示。其中，MH和ML分别表示最大转矩和最小转矩，T10表示焦烧时间。

从表2可以看出，随着硅藻土用量的增加，ML基本呈现增加的趋势，而MH基本呈现降低的趋势。这是因为硅藻土中除含有二氧化硅以外，还含有少量Fe2O3、CaO、MgO、Al2O3及有机杂质等，使得硅藻土中的二氧化硅含量低于白炭黑中的二氧化硅含量，导致ML升高、MH降低。硅藻土用量为20份时的ML和MH低于二者配合使用的ML和MH，说明硅藻土和白炭黑有一定的协同效果。硅藻土的表面吸附性较强，易于吸附硫化过程产生的离子，导致T90有所延长。

2.1.2 物理机械性能

复合材料的物理机械性能如表3所示。由表3可知，随着硅藻土用量的增加，复合材料的拉伸强度、100%定伸应力和撕裂强度都呈现下降趋势，而扯断伸长率呈现先升高后降低的趋势。可见，硅藻土的添加降低了复合材料的物理机械性能，其对硅橡胶的补强效果低于白炭黑对硅橡胶的补强效果。这可能是因为硅藻土的二氧化硅含量低于白炭黑，而粒径大于白炭黑所致。

2.1.3 绝缘性能

复合材料的绝缘性能如图1所示。从图1可以看出，随着硅藻土的加入，复合材料的表面电阻率和体积电阻率都呈现先升高后降低的趋势。硅藻土用量从5份增加到15份时，复合材料的表面电阻率和体积电阻率增加。当单独使用硅藻土时，复合材料的体积电阻率高于同样份数的白炭黑，而表面电阻率低于使用同样份数的白炭黑，这可能是由于硅藻土的结构一致性比白炭黑差，造成复合材料的导电通道少，使得复合材料的体积电阻率高。

2.2 Si69偶联剂用量对复合材料性能的影响

2.2.1 Si69偶联剂用量对复合材料物理机械性能的影响

在硅藻土、白炭黑用量都是10份时，研究Si69偶联剂用量对复合材料物理机械性能的影响，结果如表4所示。

从表4可以看出，随着Si69偶联剂的增加，复合材料的拉伸强度降低，但当Si69偶联剂质量份为3时，复合材料的扯断伸长率出现最大值623%，撕裂强度也最高，为4.27 N/mm。这是因为适量的Si69偶联剂对硅藻土和白炭黑表面所含有的大量硅羟基进行改性，从而与橡胶形成较强的化学作用，提高了伸长率和撕裂强度。

2.2.2 Si69偶联剂用量对复合材料绝缘性能的影响

Si69偶联剂用量对复合材料绝缘性能的影响如表5所示。从表5可以看出，当Si69偶联剂用量为3份时，复合材料的表面电阻率和体积电阻率均最高。

3 结论

随着硅藻土用量的增加，复合材料的ML呈增加趋势，而T90先增加而后减小，复合材料的物理机械性能下降，表面电阻率和体积电阻率都呈现出先升高后降低的趋势。当硅藻土、白炭黑用量均为10份时，用3份Si69偶联剂进行改性，复合材料的撕裂强度、扯断伸长率、表面电阻率和体积电阻率都较高。

参考文献

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