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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 ·591·

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发生了反应。此外，位于 2924 和 2851 cm 处属于 硅烷偶联剂 APTES 的添加量越多，硅烷偶联剂分子
—CH 3 、—CH 2 中 C—H 的振动吸收峰明显增强 [12] 。 更易于与白炭黑表面的 Si—OH 发生缩合反应，从
而且属于 3 种不同类型硅烷偶联剂的特征峰也相应 而增加白炭黑表面—NH 2 的负载量。
出现，如 1504 cm –1 处—NH 2 的特征吸收峰 [13] 、
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2553 cm 处—SH 的特征吸收峰 [14] 以及 913 cm 处
环氧的特征吸收峰。由图 2b 可知，未改性的白炭黑
在 50~200 ℃内的失重率约为 3%，主要是物理吸附
水的蒸发所致 [15] ；在 200~800 ℃内，失重主要是白
炭黑表面 Si—OH 与 Si—OH 之间发生脱水缩合反
应，形成 Si—O—Si 导致 [15] ，失重率约为 3%。对于
3 种不同类型硅烷偶联剂改性的白炭黑，在 250~
800 ℃内的总失重相比未改性前均有所增加，分别
为 6.2%、7.5%和 5.8%。这是硅烷偶联剂与白炭黑
表面的 Si—OH 发生反应后，接枝官能团的热失重
导致，进一步证明改性成功 [15] 。
通过上述分析可知，APTES、MPTES 和 GPTES
3 种硅烷偶联剂对白炭黑表面进行改性，适宜的改
性 pH 有差别，分别为 2、10 和 7。这与硅烷偶联剂
中不水解基团的性质差异有一定关联。在白炭黑粒
子分散于乙醇体系后，调节体系的 pH 为酸性时，
+
体系中存在大量的 H ，此时若添加正离子，体系中
会因为同电荷离子的增多使得双电层的厚度增加，

增加了颗粒之间的排斥力，从而使稳定存在的颗粒 图 3 不同 APTES/SiO 2 物质的量比下白炭黑的 FTIR 图
粒径变小，分散性提高；而当体系中相反电荷的离 谱（a）和—NH 2 负载量（b）
子增多时，会降低粒子间的静电斥力，异性电荷相 Fig. 3 FTIR spectra (a) and —NH 2 loading (b) of modified
white carbon black with various n(APTES)∶n(SiO 2 )
吸导致粒子出现一定的团聚效应，颗粒粒径增加，

分散性降低 [16] 。当体系 pH 为碱性时，体系中存在 对不同 APTES/SiO 2 物质的量比下改性白炭黑
–
大量的 OH ，同样会出现同电荷相斥，异性电荷相 进行粒径和 Zeta 电位分析，结果如图 4 所示。
吸的现象。当体系 pH 为中性时，电荷的影响较小。
APTES 改性时，体系中出现大量正电荷的硅烷铵根
+
离子（R—NH 3 ），体系 pH 为酸性时，有利于颗粒
分散性的提高；MPTES 改性时，体系中出现大量负
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电荷的硅烷巯基离子（R—S ），体系 pH 为碱性时，
颗粒间分散性提高。GPTES 由于不水解基团为环氧
官能团，无法产生电荷效应，适合于在中性条件下
改性。
2.2 n(硅烷偶联剂)∶n(SiO 2 )对白炭黑性能的影响
不同 APTES/SiO 2 物质的量比下改性白炭黑

的 FTIR 图谱与白炭黑—NH 2 负载量的结果如图 3 图 4 APTES/SiO 2 物质的量比对白炭黑粒径和 Zeta 电位
所示。 的影响（pH=2）
由图 3a 可知，随着 APTES/SiO 2 物质的量比的 Fig. 4 Effect of n(APTES)∶n(SiO 2 ) on the particle size and
zeta potential of modified white carbon black (pH=2)
增加，白炭黑依然保留着 Si—O 结构，除此之外，
由于—NH 2 的出现，属于—NH 2 的红外特征吸收峰， 随着 APTES/SiO 2 物质的量比的增加，改性白炭
如 3033 和 1507 cm –1 [13] 也逐渐增强。结合元素分析 黑的粒径呈现出先减小后逐渐增大的趋势，而其
仪测试改性白炭黑中 N 元素含量结果可知（图 3b）， Zeta 电位先增加后保持相对稳定，说明 APTES/SiO 2
物质的量比对白炭黑的分散性有很大影响。当 APTES
改性白炭黑的表面—NH 2 负载量随着 APTES/ SiO 2
物质的量比的增加呈现增加的趋势。说明当体系中 添加量较低时，硅烷偶联剂以形成 Si—O—Si 的形