Влияние функционализации и силановой модификации гексагонального нитрида бора на термические/механические/морфологические свойства нанокомпозита кремнийорганического каучука

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 11915 (2023) Цитировать эту статью

948 Доступов

Подробности о метриках

Наночастицы гексагонального нитрида бора (h-BN) могут придавать интересные свойства силиконовому каучуку (SR), но слабое межфазное взаимодействие наполнитель-матрица вызывает агломерацию наночастиц и снижает характеристики нанокомпозита. В этой работе наночастицы h-BN были модифицированы с использованием винилтриметоксисилана (ВТМС) в различных концентрациях. Перед силановой модификацией наночастицы h-BN гидроксилировали с использованием 5-молярного гидроксида натрия. Наночастицы были охарактеризованы для оценки успеха силановой прививки. Чистые и модифицированные наночастицы h-BN наносились в количестве 1, 3 и 5 мас.% на силиконовый каучук HTV (SR). Оценены вулканизационные, термические, механические и морфологические свойства и гидрофобность нанокомпозитов. Морфологию нанокомпозитов SR охарактеризовали с помощью анализа AFM и FE-SEM. Было обнаружено, что прививка силана к наночастицам h-BN улучшает плотность сшивок, но снижает индекс скорости отверждения (CRI) нанокомпозита SR (при содержании загрузки 5 мас.%) на 0,7 (дН·м) и 3,5% соответственно. Это также увеличило угол смачивания нанокомпозитов водой с 97,5° до 107°. Улучшенные межфазные взаимодействия между наночастицами и резиной привели к лучшей дисперсии наночастиц h-BN в матрице SR (при 5 мас.%), что увеличило удлинение при разрыве, модуль на 300% и Tg нанокомпозитов SR.

Сегодня полимерные изоляторы широко используются в качестве замены стекловидных и фарфоровых материалов из-за небольшого веса, простоты литья, легкой транспортировки и лучшего обращения, устойчивости к коррозии и истиранию. По этой причине силиконовый каучук (SR) широко используется в качестве изолятора в электротехнике1,2. Однако рассеяние тепла является основной проблемой силиконовой резины из-за низкой теплопроводности и термической стабильности, что имеет решающее значение для теплоизоляционного материала (ТИМ)3,4. Керамические наполнители, такие как оксид алюминия (Al2O3), нитрат алюминия (AlN) и нитрид бора (BN), до сих пор использовались для улучшения теплопроводности и электроизоляции силиконовой резины5,6. Среди всех микро- и нанонаполнителей, используемых в силиконовой резине, нитрид бора обладает уникальными свойствами, такими как высокая теплопроводность (600 Вт/м·К), а также прочность на разрыв, низкие диэлектрические потери и диэлектрическая проницаемость, высокая термическая стабильность, низкое тепловое расширение и интересные анизотропные свойства. из-за его послойной структуры7,8,9,10.

Хотя гидрофильные наночастицы гексагонального нитрида бора (h-BN) обладают большим потенциалом для улучшения свойств силиконового каучука, они агломерируются в полимерах из-за низкого межфазного взаимодействия между фильтром и полимером11,12,13. Эта проблема в основном влияет на дисперсию h-BN в полимерах, что приводит к нежелательным механическим и термическим/электрическим свойствам14. Модификация поверхности может улучшить межфазное взаимодействие h-BN с полимерами15. Наиболее сложной задачей при модификации поверхности наночастиц нитрида бора является их высокая химическая стабильность (отсутствие функциональных групп на поверхности) и отсутствие мест связывания (т.е. гидроксильных или аминогрупп) даже по краям16. Исходя из этого, перед модификацией поверхности h-BN необходим дополнительный этап (т.е. функционализация), а именно гидроксилирование высококонцентрированными кислотными или основными растворами. Было обнаружено, что после функционализации связующие агенты могут привиться к поверхности, но главным образом по краям h-BN16,17,18.

Силановые связующие агенты как амфифильные материалы с органическими и алкокси-функциональными группами в одной молекуле могут реагировать с неорганическим h-BN после функционализации и улучшать межфазные взаимодействия наполнитель-полимер19.

До сих пор силановые поверхностно-модифицированные h-BN использовались в различных полимерах. Ченг и др.20 показали, что размер цепи алкокси-стороны силанового связующего агента сильно влияет на теплопроводность h-BN. Силаны с более мелкими органическими цепями, такие как винилтриэтоксисилан (ВТЭС) и тетраэтилортосиликат (ТЭОС), повышали ТС поливинилового спирта (ПВС), тогда как более длинные цепи снижали его. Ван и др.21 подтвердили, что силанизированные h-BN могут оставаться диспергированными в парафине в течение длительного времени по сравнению с необработанными h-BN. Сейхан и др.22 обнаружили, что силанизация h-BN винилтриметоксисиланом может способствовать химическому отшелушиванию h-BN, что положительно влияет на теплопроводность полипропиленовой матрицы. Чжун и др. 23 модифицировали поверхность отшелушенных h-BN аминопропилтриэтоксисиланом (KH550) и винилтриметоксисиланом (KH171). Они добавили модифицированные h-BN к силиконовому каучуку (SR). Их результаты показали, что винилсилан улучшает межфазное соединение с резиновой матрицей и повышает термическую стабильность нанокомпозита SR.