纳米二氧化硅的制备及表面改性的研究

论文摘要

我国高岭土资源丰富,价格十分低廉,因此为了增加经济效益和提高产品附加值,需要对其进行深加工,开发高档次产品。本研究目的是利用苏州高岭土资源优势,从价格低廉的高岭土中制备出昂贵的纳米二氧化硅产品,并对其进一步改性,应用于硅橡胶,提高了高岭土在工业应用中使用价值和经济价值。首先,采用化学沉淀法从高岭土当中制备出了高品质纳米二氧化硅。实验研究分析了煅烧温度、煅烧保温时间和酸处理时间、酸处理浓度、酸处理温度等反应条件对纳米二氧化硅粉体产出率的影响。实验确定工艺技术参数为:一次煅烧温度为700℃,保温时间为1.5 h,一次酸处理浓度为20%,酸处理温度为95℃,反应时间为120 min,二次酸处理pH值为5-7、酸浓度为10%,二次煅烧温度为400℃,保温时间为1 h。制备的纳米二氧化硅粉体纯度为97.24%,粒径约为10-20 nm,白度>98,比表面积:320 m2/g。其次,实验采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂（JH-A110）和硬脂酸对上述纳米二氧化硅进行复合改性,并分析了复合改性溶剂的极性、硅烷偶联剂用量、硬脂酸用量、复合改性反应温度、复合改性反应时间对纳米二氧化硅改性效果的影响。实验得出:当硅烷偶联剂用量为12%,硅烷改性温度为110℃,保温3 h,复合改性溶剂采用甲苯,硬脂酸用量10%,复合反应温度45℃,反应时间为90 min时,改性后的纳米二氧化硅具有强疏水性,最大接触角约为140°,疏水率接近100%,改性效果最佳。通过傅里叶红外光谱（FTIR）、X光电子能谱（XPS）和沉降实验对改性前后的纳米二氧化硅表面进行了表征并解释了其复合改性机理。结果表明:纳米二氧化硅在硅烷改性过程中,表面通过Si-O-Si键接枝了JH-A110分子;复合改性过程中,纳米二氧化硅通过硅烷改性接枝的-NH2与硬脂酸的-COOH反应,形成-CONH-键,接枝了硬脂酸分子;复合改性后的纳米二氧化硅表面最终形成疏水的CH3（CH2）16COHN-（CH2）3基团。最后,将改性后的和未改性的纳米二氧化硅粉体填入甲基乙烯基硅橡胶内,测试了其拉伸强度,断裂伸长率等性能,并通过SEM对两者进行微观分析。实验结果表明:填充改性后纳米二氧化硅硅橡胶对比填充未改性纳米二氧化硅的硅橡胶,其拉伸强度从3.25 Mpa提高到12.8 Mpa,断裂伸长率从650%提高到1008%。通过SEM微观分析可知,由于复合改性后纳米二氧化硅与硅橡胶的相容性明显改善,因此使其补强效果提高。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高岭土性质和结构
• 1.1.1 高岭土的性质
• 1.1.2 高岭土的结构
• 1.1.3 以高岭土为原料制备新材料
• 1.2 纳米二氧化硅结构、性质和用途
• 1.2.1 纳米二氧化硅的结构
• 1.2.2 纳米二氧化硅的性质
• 1.2.3 纳米二氧化硅的用途
• 1.3 纳米二氧化硅的制备方法
• 1.3.1 气相法
• 1.3.2 沉淀法
• 1.3.3 溶胶-凝胶法
• 1.3.4 微乳液法
• 1.3.5 其他方法
• 1.4 纳米二氧化硅表面改性的方法
• 1.4.1 湿法
• 1.4.2 干法
• 1.4.3 超临界法
• 1.4.4 其他改性方法
• 1.5 纳米二氧化硅常用的改性剂
• 1.5.1 有机硅烷
• 1.5.2 醇类化合物
• 1.5.3 胺类化合物作改性剂
• 1.5.4 纳米二氧化硅改性的研究现状
• 1.6 纳米二氧化硅在硅橡胶中的应用
• 1.6.1 硅橡胶的概述
• 1.6.2 二氧化硅对硅橡胶的补强机理
• 1.6.3 二氧化硅对硅橡胶补强的研究现状
• 1.7 本课题的研究内容及目的
• 第二章 纳米二氧化硅微粒的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验内容与方法
• 2.2.1 试验原料与试剂
• 2.2.2 试验仪器与分析设备
• 2.2.3 试验工艺
• 2.2.4 高岭土的煅烧过程
• 2.2.5 高岭土制备二氧化硅的化学反应
• 2.2.6 产物分析方法
• 2.3 实验的结果与讨论
• 2 产出率的影响'>2.3.1 一次煅烧温度对Si0₂产出率的影响
• 2 产出率的影响'>2.3.2 一次煅烧保温时间对Si0₂产出率的影响
• 2 产出率的影响'>2.3.3 一次酸处理浓度对纳米Si0₂产出率的影响
• 2 产出率的影响'>2.3.4 一次酸处理温度对Si0₂产出率的影响
• 2 产出率的影响'>2.3.5 一次酸处理时间对Si0₂产出率的影响
• 2.4 产物性能表征
• 2.4.1 各项指标的测定
• 2.4.2 XRD 分析
• 2.4.3 TEM 分析
• 2.5 小结
• 第三章 纳米二氧化硅的表面改性
• 3.1 前言
• 3.2 实验原料
• 3.3 测试仪器和设备
• 3.4 实验方法
• 3.4.1 硅烷偶联剂改性
• 3.4.2 复合改性
• 3.5 产物分析方法
• 3.5.1 接触角测试
• 3.5.2 疏水率
• 3.5.3 沉降实验
• 3.5.4 透射电镜法
• 3.5.5 红外光谱法
• 3.5.6 XPS 测试法
• 3.6 实验结果与讨论
• 3.6.1 溶剂的极性对改性效果的影响
• 3.6.2 硅烷偶联剂用量对改性效果的影响
• 3.6.3 硬脂酸用量对改性效果的影响
• 3.6.4 复合改性反应温度对改性效果的影响
• 3.6.5 复合改性反应时间对改性效果的影响
• 3.7 产物性能表征
• 3.7.1 TEM 分析
• 3.7.2 沉降实验分析
• 3.7.3 疏水率分析
• 3.8 复合改性原理分析
• 3.8.1 红外光谱分析
• 3.8.2 XPS 分析
• 3.8.3 接触角分析
• 3.8.4 复合改性试样在不同pH 值溶液中的沉降
• 3.8.5 复合改性机理
• 3.9 小结
• 第四章 改性二氧化硅在硅橡胶中的应用
• 4.1 前言
• 4.2 纳米二氧化硅填充硅橡胶硫化试验
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 实验设备
• 4.2.3 实验工艺
• 4.2.4 硅橡胶配方
• 4.3 产物性能表征
• 4.3.1 拉伸试验
• 4.3.2 SEM 分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 硕士期间发表/撰写的论文、专利
• 致谢