纳米氧化锌在橡胶硫化体系中作用机理的研究

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本文系统地研究了原位表面改性纳米氧化锌的制备条件,纳米氧化锌对天然橡胶硫化胶的硫化特性、力学性能、耐磨耗性、耐热氧老化性的影响,以及纳米氧化锌硫化胶的交联密度和交联键类型。  采用溶胶-凝胶法制备原位表面改性纳米氧化锌,通过正交试验法讨论了制备过程中原料配比、煅烧温度、表面改性剂种类、煅烧时间四个因素的影响,并采用直观分析法和方差分析法对配方进行了优选。使用X-射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)对原位表面改性纳米氧化锌、未改性纳米氧化锌以及普通氧化锌的晶型、晶体粒径、粒子大小和粒子表面基团分别进行了表征。  研究发现,溶胶-凝胶法制备原位表面改性纳米氧化锌的最佳制备条件为:乙酸锌与硬脂酸的摩尔配比为1:4、煅烧温度为300℃、煅烧时间为5h、表面改性剂选用硅烷偶联剂。微观表征说明原位表面改性纳米氧化锌为六方晶型纤锌矿氧化锌,粒子为球状,粒径约为50nm且分散均匀,粒子表面附着了一层表面改性剂基团。未改性纳米氧化锌子粒径约为75nm,但是粒子的团聚情况严重,分散性差。普通氧化锌的粒径约为215nm,分散性良好。  对比研究了使用纳米氧化锌和普通氧化锌天然橡胶硫化胶的物理机械性能。采用平衡溶胀法测定了硫化胶的交联密度,并通过化学探测剂法定量分析了硫化胶中的交联键的类型和比例。  研究发现,普通氧化锌用量在2~5份时硫化胶的物理机械性能比较稳定,差异很小。纳米氧化锌在用量在2~5份时,硫化胶的物理机械性能呈现较大的上升趋势,这说明实际参与硫化反应的氧化锌用量不超过2份;对纳米氧化锌而言,超过2份的用量对硫化胶起了深度交联的作用。纳米氧化锌在橡胶硫化体系中除了起到普通氧化锌的活化促进剂的作用外,还可以有效地提高多硫键向单硫键和双硫键的转化效率,增大单硫键和双硫键在硫化胶中的比例。宏观上的表现是在提高硫化胶力学性能的同时,弥补了传统硫黄硫化体系硫化胶耐热氧老化性差的缺陷。
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