實驗目的是研究改性納米Si₃N₄陶瓷粉體在EPDM中的應用性能。納米Si₃N₄陶瓷粉體具有耐高溫、化學穩定性好，耐磨損，導熱性能好等優點，但納米Si₃N₄粉體具有高的表面能，一般不與聚合物相容，在聚合物中的分散性不好。為了使納米Si₃N₄粉體能夠均勻地分散在橡膠中并與橡膠具有良好的相容性，對納米Si₃N₄進行表面改性。在EPDM中加入改性后納米Si₃N₄，能夠提高EPDM的綜合力學性能，延長產品的使用壽命。此次采用實驗室自制的大分子偶聯劑(BA-MAA-AN三元共聚物)對納米Si₃N₄進行表面包覆處理，優化Si₃N₄使用比例，設計EPDM制品的配方與工藝。

   1 實驗部分

   1.1 實驗材料與設備

   三元乙丙橡膠(EPDM)，金華星馬塑膠有限公司產品；納米Si₃N₄(平均粒徑20nm)，上海超威納米科技有限公司；大分子偶聯劑，實驗室自制產品；其它均為市場常用產品。

   TEM為日本TEOL公司生產的JEM-100SX型透射電子顯微鏡；密煉機K1 MK4，法萊爾公司產品；平板硫化機，型號：QLB-350×350×2，上海第一橡膠廠產品；DXLL-10000型電子拉力試驗機，上�；�工設備有限公司產品；LX-A型硬度儀，上海六中量儀器廠產品。

   1.2 基本配方及納米Si₃N₄/EPDM復合材料試樣的制娑嗤��

   基本配方(質量份phr)：EPDM 140；炭黑(N115)100；ZnO 5；硬脂酸1.0；防老劑RD 2.0；促進劑2.0；軟化劑25；硫化劑0.75；納米氮化硅和改性納米氮化硅(為變量)0-2.0。

   改性后納米Si₃N₄和EPDM在密煉機上混煉制得母煉膠，其它按照正常的混煉加料順序進行。硫化條件為180℃×6min。

   1.3 性能測試

   硫化膠各項力學性能按相應國家標準測定。2 結果與討論

   2.1 TEM分析

   取未處理的納米Si₃N₄粉體和用大分子表面處理后球磨過篩的納米Si₃N₄粉體，溶解在丙酮溶劑中，用透射電子顯微鏡對其進行觀察。圖1(略)是未處理的粉體和用7.5%(大分子表面處理劑與納米Si₃N₄質量比百分數)的大分子表面處理劑處理后的納米Si₃N₄粉體TEM照片(放大2萬倍)，處理前納米粉末有明顯的團聚現象，而處理后的納米粉末在丙酮中分散均勻，團聚現象明顯降低。說明用大分子處理劑處理后，由于大分子的極性鍵與Si₃N₄粉末表面的羥基或懸鍵之間容易發生物理鍵合或化學鍵合而包覆在納米顆粒的表面，連接在納米粉體末表面的大分子處理劑的分子鏈產生了互斥作用和空間位阻作用，所以可以降低納米顆粒的表面能，阻隔了顆粒之間的團聚。

   2.2 力學實驗測試結果

   表1 納米Si₃N₄/EPDM復合材料的機械性能

表1是改性Si₃N₄/EPDM復合材料力學性能測試結果。從數據可見，納米Si₃N₄的加入，對EPDM膠料的撕裂強度、拉伸強度和斷裂伸長率都有明顯的提高，說明納米Si₃N₄作為補強材料，對EPDM橡膠起到了很好的增強增韌作用，也證明大分子偶聯劑在納米粒子和橡膠基體之間起到了很好的化學連接作用，使得納米粒子和橡膠基體之間結合起來，從而發揮納米Si₃N₄的優異性能，提高復合材料的力學性能。

   當表面處理后的納米Si₃N₄用量增加到1.5份以上時，一方面，由于粒子過于接近，銀紋會組合成大的裂紋使復合材料力學性能下降。另一方面，由于粒子數目增多后，分散更加困難，容易產生粒子團聚現象，由于團聚粒子表面缺陷會使基體橡膠損傷而產生應力集中。另外，當外力作用時，團聚粒子相互滑移，從而使復合體系綜合性能變劣。從提高復合材料的綜合力學性能來看，處理后的納米Si₃N₄用量為1.5份時最好。

   2.3 改性納米Si₃N₄/EPDM復合材料耐磨性及膠管的動態耐久性對比試驗

   表2 性納米Si₃N₄/EPDM合材料耐磨性及膠管的動態耐久性比較

^*注：JSK-b264標準，44.1N，15°1000轉

   通過對比試驗，從表2中可以看出加入改性納米Si₃N₄的EPDM橡膠管的動態耐久性能均有不同程度的提高。與不加改性納米Si₃N₄產品相比，加入1.5份納米Si₃N₄的EPDM橡膠管動態耐久性提高達十幾倍之多。另外，加入改性納米Si₃N₄的EPDM復合材料的耐磨性能均比未加樣有所提高，尤其加入1.5份改性納米Si₃N₄的EPDM復合材料的阿克隆磨耗量從0.2003g降至0.0694g。所以，可以得出實驗結論加入1.5份改性納米Si₃N₄后，對改善產品的耐磨性、耐久性和提高橡膠管的使用壽命效果最好。

   3 結論

   (1)TEM觀測表明，用大分子表面處理劑處理納米Si₃N₄粉體后，納米Si₃N₄粉體在有機溶劑中分散均勻，納米顆粒粒徑減小，明顯阻止了納米顆粒的團聚。

   (2)在EPDM中添加用大分子偶聯劑處理的納米Si₃N₄，在一定程度上提高了EPDM的拉伸強度、撕裂強度、斷裂伸長率等力學性能，其中添加1.5份改性納米Si₃N₄的EPDM綜合力學性能效果。

   (3)在EPDM中添加用大分子偶聯劑處理的納米Si₃N₄，EPDM的耐磨性及膠管的動態耐久性明顯提高，其中添加1.5份改性納米Si₃N₄的耐磨性及膠管的動態耐久性能最優異。