硅烷偶联剂改性粉煤灰基白炭黑及其分散性能

粉煤灰是燃煤电厂产生的固体废弃物之一，由于其氧化铝和氧化硅含量丰富（~80%），从中提取氧化铝联产白炭黑是实现高值化利用的重要途径[1]。本课题组前期在酸法提铝的过程中通过添加表面活性剂得到白炭黑产品[2]。由于其表面含有大量的羟基而呈亲水性，限制了其在橡胶中的应用。因此，需要对白炭黑表面进行有机改性，使其在有机基质中均匀分散[3]。研究表明，粒径和表面活性是影响白炭黑分散性的重要因素，对其进行有机改性可提高分散性[4-5]。其中，硅烷偶联剂既可消去白炭黑表面羟基，又可与有机质化学交联，实现无机-有机相容的优势得到广泛应用[6-7]。王云芳[8]等采用缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）对白炭黑表面进行接枝改性，当每克SiO2中GPTMS用量为1mL时，接枝度达到最大，分散性提高。崔凌峰[9]等采用3种硅烷偶联剂〔双-[γ-(三乙氧基硅)丙基]四硫化物（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、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-氨丙基三乙氧基硅烷、3-巯丙基三乙氧基硅烷与3-(2,3-环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷〕对白炭黑进行表面改性。在此基础上探讨了硅烷偶联剂类型（氨基、巯基以及环氧官能团）、pH以及硅烷偶联剂/二氧化硅物质的量比对白炭黑分散性能的影响，希望得到的白炭黑更适用于橡胶剂强填料。摘要：采用3种硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）、3-巯丙基三乙氧基硅烷（MPTES）与3-(2,3-环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷（GPTES）对粉煤灰基白炭黑进行表面改性。借助FTIR、TGA、Zeta电位仪和SEM考察并比较了氨基、巯基、环氧类硅烷偶联剂对改性白炭黑分散性能的影响。结果表明，3种硅烷偶联剂均可接枝于白炭黑表面，且改性后白炭黑粒子分散性得到明显改善。分散性不仅与改性后白炭黑产品粒径相关，而且与硅烷偶联剂的负载量有一定关联。其中，MPTES对白炭黑的改性效果最佳，当pH为10、MPTES/SiO2物质的量比为1.0∶1.0时，得到的改性白炭黑在乙醇中的分散性最好，粒径为557nm，Zeta电位绝对值为36.43mV。结论采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、3-巯丙基三乙氧基硅烷（MPTES）与3-(2,3-环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷（GPTES）对粉煤灰基白炭黑进行表面改性。研究发现，3种不同硅烷偶联剂均成功接枝于白炭黑表面，使白炭黑粒径减小，分散性得到改善。Zeta电位与SEM数据表明，3种硅烷偶联剂改性效果为：MPTES>APTES>GPTES。研究也表明，硅烷偶联剂的添加量对白炭黑分散性有重要影响，硅烷偶联剂量过多，会引起粒子聚集。白炭黑分散性的提高使其更适用于橡胶补强填料。图文信息图1

pH对不同硅烷偶联剂改性白炭黑粒径（a）和Zeta电位的影响（b）图2

3种硅烷偶联剂改性白炭黑的FTIR图谱（a）与TGA结果（b）图3

不同APTES/SiO2物质的量比下白炭黑的FTIR图谱（a）和—NH2负载量（b）图4

APTES/SiO2物质的量比对白炭黑粒径和Zeta电位的影响（pH=2）图5

不同MPTES/SiO2物质的量比下改性白炭黑FTIR谱图（a）和—SH负载量（b）图6

MPTES/SiO2物质的量比对白炭黑粒径和Zeta电位的影响（pH=10）图7

不同GPTES/SiO2物质的量比下改性白炭黑的F