纳米二氧化硅的表面改性研究

阮 娟，王 君，陈明强

(安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001)

纳米二氧化硅的分子状态呈三维网状结构，其分子简式为SiO2-x(x为0.4～0.8)[1]。纳米二氧化硅的表面存在不同键合状态的羟基，且因缺氧而偏离了稳态的硅氧结构[2]。纳米二氧化硅表面有3种硅羟基(图1)：一是单生自由硅羟基(Isolated hydroxyl)，对极性物质有很强的吸附力；二是连生缔合硅羟基(Coupling hydroxyl)；三是双生硅羟基(Doubled hydroxyl)。

图1 纳米二氧化硅的表面特征

纳米二氧化硅俗名白炭黑，在有机高分子体系中具有优良的补强性能，主要应用于橡胶的补强[3]。但由于其表面能高，处于热力学非稳定状态，极易聚集成团，不易与有机物充分混合。同时二氧化硅表面亲水疏油，在有机介质中难于均匀分散，与有机体之间结合力差，易造成界面缺陷，使复合材料性能降低[4]。为此，必须对其进行表面改性，减弱二氧化硅表面的极性，降低二氧化硅表面的能态，以改善纳米二氧化硅的分散性及其与有机基体间的相容性[5，6]。

1 实验

1.1 材料及试剂

纳米SiO2(含80%水分)，从稻壳裂解残渣中自行提取[7]；改性剂A、B、C。

1.2 方法

称取50 g纳米SiO2于烧杯中，然后加入一定量的改性剂，搅拌30 min，倒入试管中，用保鲜膜密封，静置。间隔一定的时间观察水层高度(据此判断改性效果)，记录。

2 结果与讨论

2.1 不同剂量改性剂对纳米二氧化硅的改性效果(图2、图3)

图2 未改性纳米二氧化硅的水层高度随时间的变化曲线

图3 不同剂量改性剂对纳米二氧化硅水层高度的影响

比较图2、图3可知，改性剂A、B的剂量分别在1.3%、0.9%时改性效果最好，而改性剂C的改性效果随剂量的增加越来越好，本实验范围内在1.5%时效果最好。改性剂A、B、C均是聚合物，其中C是一种水性的天然聚合物。这三种聚合物对纳米二氧化硅的改性均为表面接枝改性，使纳米二氧化硅的表面包覆大分子高聚物，阻止了其粒子间的相互作用，从而达到分散的作用。

2.2 搅拌方式对改性效果的影响(图4)

由图4可知，当搅拌方式为超声波振荡时，水层高度较小，改性效果较电动搅拌好；且分散剂B在最优剂量下的改性效果较A、C要好。这可能是因为，在超声波场的作用下，加入的改性剂部分粗颗粒被振碎而使其平均粒径减小[8]，导致改性剂与纳米二氧化硅的接触面积增大，从而混合得更均匀，改性效果得到提高。

图4 搅拌方式对改性效果的影响

3 结论

(1)改性剂A、B、C对纳米二氧化硅的最优剂量分别是1.3%、0.9%、1.5%，其中改性剂C的改性效果随剂量增加而越来越好。最优剂量下改性剂B的效果明显优于改性剂A、C。

(2)超声波振荡下纳米二氧化硅的改性效果明显优于电动搅拌。

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