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第 4 期                    柳丹丹，等:  硅烷偶联剂改性粉煤灰基白炭黑及其分散性能                                    ·589·


                               [2]
            性剂得到白炭黑产品 。由于其表面含有大量的羟                             岛津公司）；傅里叶变换红外光谱仪（Perkin-Elmer
            基而呈亲水性，限制了其在橡胶中的应用。因此，                             1730）及热重分析仪（Perkin-Elmer  4000，美国珀
            需要对白炭黑表面进行有机改性，使其在有机基质                             金埃尔默仪器公司）；Zeta 电位仪（Nano ZS 90,  英
                       [3]
            中均匀分散 。                                            国马尔文公司）；元素分析仪（Elementar  Vario  EL
                 研究表明，粒径和表面活性是影响白炭黑分散                          CUBE，德 国艾 力 蒙塔 公司）；扫描电子显微镜
            性的重要因素，对其进行有机改性可提高分散性                              （TM3030，日本日立高新技术公司）。
            [4-5] 。其中，硅烷偶联剂既可消去白炭黑表面羟基，
                                                                    表 2    硅烷偶联剂结构式及其相对分子质量
            又可与有机质化学交联，实现无机-有机相容的优势                                  Table 2    Molecule and structural formula of
                                    [8]
            得到广泛应用       [6-7] 。王云芳 等采用缩水甘油醚丙基                                silane couple agents
            三甲氧基硅烷（GPTMS）对白炭黑表面进行接枝改                                                                  相对分子
                                                                 名称                化学结构
            性，当每克 SiO 2 中 GPTMS 用量为 1  mL 时，接枝                                                          质量
                                            [9]
            度达到最大，分散性提高。崔凌峰 等采用 3 种硅
            烷偶联剂〔双 -[γ-( 三乙 氧基硅 ) 丙基 ] 四硫化 物                    APTES                                   221
            （Si69）、γ-甲基丙烯酰 氧基丙基三 甲氧基硅烷
            （KH570）、乙基三甲氧基硅烷（11-100）〕对白炭
            黑进行改性。结果表明，改性后白炭黑团聚现象减                              MPTES                                   238
            弱，分散性得到改善，其中 Si69 的分散效果最好。
            现有的研究中均认为硅烷偶联剂可以改善白炭黑的
            分散性。然而，硅烷偶联剂类型（如氨基、巯基、                              GPTES                                   278
            环氧、卤素、苯环等）对白炭黑分散性能的影响鲜
            见报道。
                 鉴于此，本文选择 3 种硅烷偶联剂〔3-氨丙基                       1.2    白炭黑的制备
                                                                                    [2]
            三乙氧基硅烷、3-巯丙基三乙氧基硅烷与 3-(2,3-环                           粉煤灰制备白炭黑 ：粉煤灰与碳酸钠以质量
            氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷〕对白炭黑进行表面改                             比 1.0∶0.8 混合研磨后于马弗炉 850  ℃焙烧 2  h。
            性。在此基础上探讨了硅烷偶联剂类型（氨基、巯                             称取 30  g 焙烧产物于三口烧瓶，采用质量分数为
            基以及环氧官能团）、pH 以及硅烷偶联剂/二氧化硅                          20%的盐酸，以固液比 1∶5（g/mL）混合，于 90  ℃
            物质的量比对白炭黑分散性能的影响，希望得到的                             反应 120 min。反应结束后过滤分离，将固相采用蒸
            白炭黑更适用于橡胶剂强填料。                                     馏水水洗至 pH 接近中性，于 105  ℃烘干，即得白
                                                               炭黑。
            1    实验部分                                              白炭黑的表面改性：取烘干的白炭黑产品
                                                               5.0 g，分散于 25  mL（0.43  mol）无水乙醇、5  mL
            1.1   试剂与仪器
                                                               蒸馏水中，为了研究改性过程中 pH 和硅烷偶联剂
                 粉煤灰，取自太原一电厂，其化学组成如表 1
                                                               添加量对白炭黑分散性的影响，分别在 pH 为 2、7、
            所示。碳酸钠、盐酸、无水乙醇、3-氨丙基三乙氧
                                                               10（HCl 和 NaOH 调节）下添加不同量的硅烷偶联
            基硅烷（APTES）、3-巯丙基三乙氧基硅烷（MPTES）
                                                               剂（见表 3），于 70  ℃反应 12 h，反应结束后离心
            与 3-(2,3-环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷（GPTES），
                                                               分离，乙醇洗涤 5 次，于 70  ℃真空干燥，得到改
            AR，国药集团化学试剂有限公司。硅烷偶联剂名称
                                                               性白炭黑。
            及结构式如表 2 所示。
                                                                           表 3    硅烷偶联剂的添加量
                      表 1    粉煤灰和白炭黑的化学组成
             Table 1    Chemical compositions of as-received fly ash and   Table 3    Addition amounts of silane couple agents
                   corresponding prepared white carbon black                       n(硅烷偶联剂)∶n(SiO 2)

                                    质量分数/%                                 0.2∶1.0 0.6∶1.0  1.0∶1.0  1.4∶1.0 1.8∶1.0

                        SiO 2   A  l  2O 3   F  e  2O 3   C  a  O     K  2O  APTES/g   0.74   2.21   3.63   5.16   6.63
               粉煤灰      47.98   38.46   2.68   3.34   1.65       MPTES/g    0.79   2.38   3.97   5.56   7.14
               白炭黑      94.56   0.10    0.04                   GPTES/g    0.93   2.78   4.64   6.49   8.34

                 Note：代表未检测到。
                                                               1.3    表征方法
                 X 射线荧光光谱仪（Shimadzu XRF-1800,  日本                  采用 X 射线荧光光谱仪（XRF）测定原始粉煤
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