СИЛИКАГЕЛЬ, Его получение, свойства и применение
АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ХИМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ КРЕМНЕЗЕМОВ
Наряду с геометрической структурой, химическая природа поверхности адсорбентов, высокодисперсных наполнителей, загустителей смазок в значительной степени определяет их свойства. Химическим модифицированием поверхности можно в значительной степени изменять адсорбционные и технологические свойства важнейших дисперсных систем.
В Институте физической химии АН УССР на протяжении многих лет ведутся систематические исследования влияния различных поверхностных соединений на адсорбционные и другие свойства кремнеземов.
Известно, что поверхность кремнеземов покрыта гидро- ксяльными группами. Наличие этих групп на поверхности силикагеля, пористого стекла и некоторых непористых препаратов кремнезема в настоящее время подтверждено многочисленными экспериментальными данными. Адсорбционные и другие свойства кремнеземов зависят от количества и концентрации на их поверхности гидроксильных групп. Изменение химической природы поверхности кремнеземов в результате термической дегидратации, регидратации или вследствие замещения гидроксилов на различные атомы или органические радикалы вызывает резкое изменение свойств кремнезема.
На поверхности кремнезема были проведены реакции: галоидирования, аминирования, присоединения органических радикалов при помощи магнийорганического синтеза, алкоксилирования, сульфирования, реакции с алкил- и арилхлорсиланами [359]. Синтезировано большое число различных химических модифицированных кремнеземов (табл. 46).
К ним относятся фторированные и хлорированные кремнеземы, этерифицированные со связью —Si—О—С—, кремнеземы с насыщенными радикалами со связью Si—С, кремнеземы, модифицированные радикалами с кислыми и
Таблица 46 Химические поверхностные соединения на кремнеземах
|
Основными функциями, олефинокремнеземы, гидридполиси - локсаны и др.
Модифицированные кремнеземы были исследованы адсорбционными методами, методами инфракрасной спектроскопии, ЭПР и др. О влиянии химического состояния поверхности минеральных сорбентов на адсорбционные свойства судили по изотермам сорбции паров воды, метилового спирта, бензола, гептана, азота, аргона, кислот и оснований. Избранные адсорбаты позволяют выявить отношение поверхности к разным видам адсорбционного взаимодействия.
В 1956 г. [360—3621 впервые было установлено, что замена гидроксильных групп атомами фтора снижает адсорбцию не только веществ, адсорбирующихся, в основном, в результате электростатических взаимодействий (вода, метанол), но и гептана, адсорбция которого является результатом только дисперсионных сил.
Несколько позже авторы [3631 показали, что влияние химического модифицирования поверхности силикагеля фтором сказывается также на изотермах адсорбции азота и аргона. Впоследствии такая же зависимость найдена для кремнеземов, модифицированных различными лами [364—3661.
А, ммоль/г Рис. 52. Изобары сорбции на метоксилированных силикагелях с разной степенью замещения гидроксильных групп: / — гептан при P/Ps ■= 0,24; 2 — бензол при P/Ps = 0.18; 3 - CHsOH при P/Ps ■= 0,2; 4 — СНаОН до P/Ps = 1. |
Органическими радика- |
Характерные изобары адсорбции на модифицированных силикагелях с разной степенью замещения (©) гидроксильных групп на органические радикалы (метоксильные) представлены на рис. 52. По мере замещения поверхностных гидроксильных групп силикагеля органическими радикалами или фтором адсорбция паров как полярных, так и неполярных веществ уменьшается. Наиболее сильно это уменьшение выражено для паров метилового спирта, в меньшей мере для паров бензола и гептана и еще в мень
шей степени для азота и аргона. Предельный сорбционный объем пор при этом практически не изменяется.
В связи с тем, что электронная D-OБолочка кремния не заполнена, распределение электронной плотности в гидроксильных группах поверхности силикагеля таково, что в них отрицательный заряд сильно смещен к атому кислорода, а атом водорода частично протонизирован, образуя протонный кислотный центр [339—367]. Это обеспечивает специфическое взаимодействие поверхности кремнезема со связями или звеньями молекул, обладающих сосредоточенной на периферии электронной плотностью [339]. Поэтому естественно, что при частичном или полном замещении гидроксильных групп кремнезема атомами фтора или органическими радикалами, благодаря выключению из адсорбционного процесса всех или части гидроксилов, наблюдается уменьшение адсорбции веществ, у которых в адсорбционном взаимодействии играет роль донорно-акцепторная компонента.
Исследование при помощи ИК-спектроскопии адсорбции паров ацетонитрила, хлороформа и аммиака на частично фторированной поверхности силикагеля показало [368], что адсорбция этих веществ не приводит к каким-либо изменениям в полосе, соответствующей гидроксильным группам, связанным водородной связью с фтором. Полоса свободных гидроксильных групп при адсорбции изменяется так же, как и на обычных силикатных адсорбентах. Аналогичная картина наблюдалась и для фенилсиликагеля. При адсорбции указанных адсорбатов изменяется полоса только свободных гидроксильных групп, уменьшаясь по интенсивности. Следовательно, только свободные гидро - ксильные группы принимают участие в адсорбции полярных веществ. Для этих адсорбатов вклад дисперсионион компоненты в адсорбцию не имеет существенного значения.
В [369] показано, что при одной и той же степени замещения гидроксильных групп силикагеля фтором или органическими группами (метальными, этильными, пропиль - ными и другими насыщенными радикалами) падение величин адсорбции полярных веществ не одинаково. Так, па фторированном силикагеле адсорбция метанола примерно в 30 раз меньше, чем на исходном гидроксилированном образце, а на метилированном — в 1,4 раза (рис. 53). Такое изменение адсорбции связано с тем, что поглощение полярных веществ на модифицированном кремнеземе происходит
в основном на свободных, не возмущенных взаимодействием с окружением и неэкранированных гидроксильных группах. Роль дисперсионных сил в адсорбции этих веществ мала.
В случае фторированного силикагеля, как удалось установить методом ИК-спектроскопии, свободные гидро - ксильные группы на поверхности практически отсутствуют [368]. Это объясняется тем, что оставшиеся не замещенными
Рис. 53. Изотермы сорбции паров метилового спирта на а) исходном (1), фенилироваином (2) и фторированном (3) силикагелях; б) исходном (1), метильном (2) и этильном (3) силикагелях. |
Па фтор гидроксильные группы возмущены вследствие образования водородной связи ОН... F. Адсорбция воды и метанола на частично фторированной поверхности силикагеля значительно меньше, чем на метилированной, где не. замещенные метальными радикалами гидроксильные группы остаются свободными и являются центрами адсорбции. полярных веществ.
Анализ причин, вызывающих уменьшение адсорбционной активности модифицированных'силикагелей по парам цеществ, адсорбирующихся за счет дисперсионных сил, был дан в работах [370, 371]. В них проведен оценочный расчет констант дисперсионного взаимодействия модифицированных поверхностей с молекулами адсорбата.
В [370] это сделано для взаимодействия фторированной и метилированной поверхностей силикагеля с молекулами азота, циклогексана, бензола, а в [371] — для взаимодействия ароматических молекул с поверхностью кремнезема, модифицированной триметилсилильными группами. Эти расчеты привели к заключению, что причиной резкого уменьшения адсорбции углеводородов и других неполярных молекул на модифицированных поверхностях является сильное ослабление потенциала дисперсионных сил притяжения. Это ослабление вызвано отодвиганием молекул адсорбата от кремнеземного остова для метилированных силикагелей и малым значением констант дисперсионного взаимодействия для фторированных кремнеземов.
Представляло интерес изучить зависимость адсорбционных свойств модифицированных силикагелей от природы органического радикала. Проведено [372] модифицирование силикагелей при помощи органохлорсиланов, содержащих радикалы —СН3, —С2Н5, —С3Н„ —СвН5 и др. В модифицированные силикагели внедрено примерно одинаковое количество (Ммоль/г) органосилильного радикала. Показано, что чем больше вандерваальсов радиус радикала, т. е. чем больше расстояние молекул адсорбата от кремнеземного остова, тем ниже адсорбционная способность модифицированного силикагеля (см. рис. 53).
Таким образом, химическое модифицирование поверхности силикагелей фтором или органическими радикалами приводит к резкому уменьшению адсорбции не только полярных веществ, но и неполярных углеводородов. - Поэтому такие модифицированные кремнеземы не представляют интереса как адсорбенты, а могут быть с успехом применены как наполнители полимерных материалов, в газоадсорбционной хроматографии, загустители смазок и в случае наличия на их поверхности функциональных групп — как ненабухающие ионообменники.
В связи с этим важно было получить такой силикагель, на поверхности которого вместо гидроксильных групп находились бы атомы, неспособные к образованию водородных связей, обладающие высокой поляризуемостью и по размерам не превышающие размеров гидроксильной группы. Такая замена сделала бы поверхность кремнезема гидрофобной, без существенного снижения адсорбционных свойств по парам веществ, адсорбирующихся по дисперсионному механизму. Этим требованиям отвечает син
тезированный Олиняковой, Неймарком, Будкевичем гидрофобный водородно-кремнеземистый адсорбент (ксерогель гидридпо'лисилоксана), на поверхности которого вместо гидроксильных групп находятся меньшие по размерам атомы водорода, связанные с атомами кремния и неспособные к образованию водородных связей [373].
Адсорбция паров воды на ксерогеле гидридполисило - ксана во всем интервале относительных давлений практически не происходит (рис. 54). Даже при P/Ps = 1 на поверхности геля гидридполисило - ксана не образуется плотного монослоя воды, что ведет к полному отсутствию капиллярной конденсации. Между тем такой адсорбент является весьма ор - ганофильным," и его адсорбционная активность по парам углеводородов не ниже, чем на гид - роксилированном силикагеле (кривая 2, рис. 54).
Поверхность гидридполиси - локсана обладает хорошими восстановительными свойствами [374]. На этой поверхности очень хорошо восстанавливается, даже из сильно кислых растворов, палладий, платина, серебро, ртуть. Никель, свинец и медь могут восстанавливаться из растворов их солей при определенном значении рН раствора. Покрытие поверхности адсорбента различными металлами в виде металлического монослоя представляет значительный интерес для получения катализаторов.
А, и моль/г Рис. 54. Изотермы сорбции паров воды (1) н гексаиа (2) На поверхности геля гидрид - полисилоксана. |
До недавнего времени считали, что химическая природа поверхности адсорбента для физической вандерваальсовой адсорбции не существенна и величина адсорбции данного вещества на единицу поверхности любого адсорбента является одной и той же. Поэтому при расчете удельной поверхности методом Брунауэра, Эммета и Теллера пользовались табличными данными величин молекулярных площадок без учета расположения и природы адсорбционных
центров. Однако, как было установлено в [359—366, 375— 381] на основании анализа большого экспериментального материала, химическое модифицирование поверхности влияет на все виды адсорбционного взаимодействия, в том числе и на дисперсионное.
Уменьшение адсорбции азота, криптона и других адсорбатов на единицу поверхности модифицированных адсорбентов [363, 339] указывает, что принятое ранее при расчете удельных поверхностей адсорбентов допущение о постоянстве молекулярных площадок адсорбата является неверным. На таких адсорбентах не размеры молекулы адсорбата определяют величину молекулярной площадки, а топография самой химической поверхности адсорбента становится определяющим фактором. Молекулярные площадки существенно возрастают по мере замещения ОН-групп на атомы фтора или органические радикалы. Так как удельная поверхность 5 = NamСо0 при модифицировании мало изменяется, а адсорбция ат, соответствующая покрытию мономолекулярным слоем, уменьшается, то формальным следствием этого является резкое возрастание молекулярных площадок со0 адсорбата. Следовательно, можно говорить лишь о формальном применении уравнения изотермы адсорбции БЭТ для модифицированных адсорбентов. Определение удельной поверхности модифицированных адсорбентов методом БЭТ, даже по адсорбции азота или благородных газов, не является надежным из-за незнания величин молекулярных площадок, которые зависят от природы поверхности.
Согласно Киселеву [382], ослабление специфичности взаимодействия полярных веществ химически модифицированными кремнеземами объясняется уменьшением числа гидроксильных групп на их поверхности. Резкое ослабление неспецифического взаимодействия при адсорбции апо - лярных веществ вызвано, по его мнению, отодвиганием адсорбирующихся молекул от кремнеземного остова. При этом мерой вклада специфических взаимодействий в общую энергию взаимодействия служит разность между теплотой адсорбции на специфическом адсорбенте и теплотой адсорбции этих же молекул на неспецифическом адсорбенте [383].
Для прямого экспериментального исследования взаимодействий молекул различного строения с определенными функциональными группами поверхности были синтезированы [373, 384—393] аминоорганокремнеземы, карбоксил-
сульфогидрид, олефиноорганокремнеземы и изучены их адсорбционные и другие физико-химические свойства. Такие поверхности с фиксированными функциональными группами, концентрацию которых можно менять в известных пределах, представляют значительный интерес для специфической адсорбции.
Со со |
Рис. 55. ИК-спектры поглощения полярных адсорбатов, поглощенных на аминоорганоаэросиле: / — исходный образец; 2 — после адсорбции паров адсорбата; пунктирные кривые получены графическим вычислением полуширины полос 1 к 2. |
Показано [394, 386, 387], что на аминоорганокремнезе - мах адсорбция веществ, у которых в адсорбционном взаи-
Модействии с поверхностью играют существенную роль дисперсионные силы, значительно меньше, чем на исходных силикагелях. Это объясняется так же, как и для силикагелей, модифицированных насыщенными радикалами, отодвиганием молекул этих адсорбентов от кремнеземного остова в результате замены гидроксилов большими по размерам органоаминными группами. При исследовании методом ИК-спектроскопии взаимодействия невозмущенных
поверхностных аминогрупп на кремнеземе с полярными молекулами алифатических спиртов, диэтилового эфира и ацетонитрила наблюдалось уширение полосы поглощения валентных колебаний N—Н (рис. 55). Это уширение является одним из спектральных проявлений образовавшейся водородной связи между молекулами адсорбата и поверхностными аминогруппами.
А, том/г |
1.0 |
Рис. 56. Изотермы сорбции углекислого газа на исходном кремнеземе (2) и аминокрем - неземе (1). |
О,OS і С,% |
Величина смещения полосы в длинноволновую часть спектра AVm_H зависит от природы алифатического спирта
Рис. 57. Изотермы сорбции метакрило - вой кислоты из водных растворов на Аминоорганокремнеземах. На исходном кремнеземе (1), иа образцах с СОЕ —■ 0,4 ммоль/г (2) и СОЕ — 0,7 ммоль'г (3). СОЕ — статическая обменная емкость.
И увеличивается с ростом длины углеводородной цепи. Следует отметить, что величина AVn-H сравнительно слабо зависит от степени заполнения поверхности при адсорбции спиртов. Найдена линейная зависимость между потенциалом ионизации спиртов и величинами смещения AVN_H [387]. При адсорбции диэтилового эфира и ацетона смещение меньше, чем в случае спиртов. Для ацетонитрила смещение полосы наименьшее, что хорошо коррелируется с довольно высоким значением потенциала ионизации для этого адсорбата.
Однако следует учесть, что способность NH2-rpynn к образованию водородной связи намного меньше, чем ОН-групп. Об этом говорят величины смещения полосы поглощения при адсорбции ацетона и диэтилового эфира, которые на порядок выше [394].
Представляет интерес изучение адсорбции на амино- органокремнеземах веществ кислого характера. Показано - [388], что аминокремнеземы проявляют большую адсорбционную активность к углекислому газу и кислотам: (рис. 56—58). Значительное возрастание величины адсорбции в начальных участках изотерм сорбции свидетельствует об интенсивном взаимодействии адсорбат — адсорбент.
Рис. 59. Изотермы сорбции паров; метанола (а) и диэтиламина (б) образцами аэросила: / — исходный; 2 — сульфоаэросил;3 — бензилаэросил. |
А, том/г ^ а, толь/г ^
Ш е, миоль/л Рис. 58. Изотермы сорбции уксусной кислоты из растворов в СС14 на исходном и модифицированном силикагелях: / — исходный силикагель; 2 — 1,75 мэкв/г C2H4NH2; J—1,5 мэкв/г (CjHJsN; 4 — 3,3 мэкв/г C2H4NHa групп. |
При адсорбции хлористого водорода и уксусной кислоты* в спектрах появляются новые непрерывные полосы поглощения. Спектральная картина восстанавливается лишь после тренировки образцов в вакууме при 250° С. Образую - щиеся новые полосы при адсорбции кислот на аминоорга - нокремнеземах свидетельствуют об образовании солей типа: NH3" ... CP и NH^ ... СН3СОО-.Следовательно, сильные специфические взаимодействия перейдут в хемосорбцию.
Исследована [384, 395, 396] адсорбция молекул различной электронной структуры на кремнеземах, поверхность которых покрыта сульфо - и карбоксильными группами. Бензол и гептан адсорбируются на поверхности таких ад
сорбентов хуже, чем на исходной. Однако адсорбция по отношению к метанолу и диэтиламину существенно увеличивается (рис. 59). Это объясняется тем, что сильнокислая сульфогруппа по способности хемосорбировать метиловый спирт и диэтиламин намного активнее, чем гидроксил.
То же можно сказать и о карбоксилпроизводных кремнезема. Изотермы адсорбции паров метанола, диэтиламина и пиридина на этих адсорбентах лежат выше, чем на исходном гидроксилированном кремнеземе. Обнаружен необратимый гистерезис адсорбции, что указывает на интенсивное взаимодействие молекул указанных веществ с поверхностными карбоксильными группами органокремнеземов. Значительная хемосорбция пиридина и диэтиламина, вероятно, объясняется образованием соответствующих химических соединений. Молекулы метанола, по-видимому, удерживаются поверхностными карбоксильными группами за счет водородных связей и, возможно, за счет образования поверхностных эфиров.
Таким образом, модифицирование поверхности кремнеземов органическими радикалами с четко выраженными основными или кислотными свойствами приводит к получению специфических адсорбентов, избирательно поглощающих вещества кислого или основного характера, для которых такие радикалы являются активными центрами адсорбции. Характер адсорбционных свойств модифицированных кремнеземов с функциональными группами определяется как размерами радикалов, так и его химическими свойствами.
Показано [397], что взаимодействие с нитрильной поверхностью увеличивается при переходе от молекул, способных только к неспецифическому взаимодействию, к молекулам, способным к специфическому взаимодействию. Сильнее всего адсорбируются спирты, нитрилы и нитро - соединения, обладающие очень большими дипольными моментами.
Представляют интерес кремнеземы, поверхность которых покрыта олефиновыми группами. Исследованы [391— 393] метилвинильные, метилаллильные, винильные, мета - крилатные, стирильные кремнеземы. Изучены изотермы сорбции паров метанола, бензола, гептана. Увеличение степени замещения ОН-групп силикагелей органическими радикалами с ненасыщенными связями приводит к уменьшению адсорбционной способности модифицированных си-
ликагелей. Однако адсорбция метанола и бензола на оле - финокремнеземах выше, чем на кремнеземах, покрытых насыщенными органическими радикалами такой же величины.
Наблюдается некоторая специфичность в адсорбции на поверхности олефиноорганокремнеземов метилметакрилате и винилацетата. Изучение адсорбции последних при помощи ИК-спектроскопии показало, что в этом случае образуются ассоциаты за счет взаимодействия я-связей поверхностных олефиновых групп с адсорбирующимися молекулами, содержащими двойные связи.
Гидридная поверхность не является строго неполярной. Атомы водорода несут некоторый отрицательный заряд. Как известно, кислород силиксановой связи обладает слабыми электронодонорными свойствами. Однако в зависимости от того, с какими другими атомами связан кремний, полярность силоксановой связи может быть разной. Оче-
I I
Видно, она будет не одинакова для связей —Si—О—Si—ОН
И —Si—О—Si—Н. Этим, вероятно, объясняется то, что на
I I
Поверхности гидридполисилоксана [398] лучше адсорбируются молекулы ароматических соединений с полярными группами (фенол, нитробензол), чем молекулы бензола. Потенциальными центрами, ответственными за специфическое взаимодействие молекул адсорбата с поверхностью гидридполисилоксана, вероятно, могут быть атомы кремния силоксановой связи с вакантными З^-орбиталями [399— 401]. Табл. 47 характеризует влияние природы поверхности на адсорбцию молекул разной электронной структуры.
По классификации Киселева [382], рассмотренные нами химически модифицированные адсорбенты можно отнести к двум группам. К первой принадлежат силикагели с химически насыщенной поверхностью — модифицированные фтором, алкильными и алифатическими группами. Поверхность таких адсорбентов неспецифически взаимодействует не только с молекулами, имеющими я-связи (ароматические углеводороды, азот, ненасыщенные углеводороды), но и с молекулами, имеющими свободные электронные пары (вода, спирты, эфиры и др.). Так как доля дисперсионной компоненты взаимодействия в адсорбции полярных молекул
Таблица 47 Характер взаимодействия молекул разной электронной структуры с модифицированной поверхностью кремнезема
|
Мала, то все они на таких поверхностях адсорбируются плохо. В связи с тем что органические радикалы отодвигают молекулы адсорбата от силоксановых групп кремнезема, являющихся основными центрами дисперсионного взаимодействия, то адсорбция молекул, адсорбирующихся только по дисперсионному механизму, на таких поверхностях также меньше, чем на гидроксилированном силикагеле. Ко второй группе адсорбентов со специфической поверхностью, несущей положительные или отрицательные заряды, могут быть отнесены карбоксил-, сульфо - и нитрс- органокремнеземы. Для таких адсорбентов адсорбция увеличивается от молекул, способных только к неспецифическому взаимодействию, к молекулам с я-связями и далее к молекулам, имеющим функциональные группы.
Промежуточное положение между этими двумя группами занимают олефиноорганокремнеземы и гидридполиси - локсаны. Они проявляют слабое специфическое взаимодействие.
Особенно перспективны модифицированные кремнеземы, имеющие в радикале функциональные группы, как наполнители полимерных материалов.
Одним из перспективных путей изменения прочностных свойств полимеров является их совмещение с высокодисперсными твердыми телами — наполнителями. Структурирующее действие наполнителей используется в производстве резин, пластических масс и других материалов для улучшения их механических свойств. Процессы структурообра - зования в таких наполненных полимерах определяются природой поверхности наполнителя. Путем химического модифицирования наполнителей можно управлять процессами структурообразования.
Наличие функциональных групп на поверхности наполнителя приводит к дополнительной химической сшивке полимер-наполнитель, благодаря осуществлению химического взаимодействия функциональной группы наполнителя с функциональной группой макромолекулы полимера [179, 391, 394, 402].
Так, при введении в метилметакрилат при его полимеризации олефинокремнезема механические свойства поли- метилметакрилата резко улучшаются (табл. 48). Это обусловлено дополнительным структурированием полимера за счет реакций по двойным связям поверхностных групп наполнителя и макроцепей полимера.
Таблица 48 Физико-механические характеристики наполненных полимерных систем
|
Наполнитель (белая сажа) |
Модуль при удлинении, кГ/см2 |
Сопротивление разрыву, КГ/см* |
Равновесный модуль, КГ/см' |
К X ГҐ X « G.2 JS |
||||
100% |
300% |
400% |
500% |
600% |
||||
II. Карбоксил Время вулкаі А А с аминогруппой А с винил - и аминогруппами |
Содерж шзации 27 37 40 |
Ащий к — 30 57 88 90 |
Аучук Мин, на 72 105 115 |
— винил полнен 89 126 133 |
И вин Те — 50 107 150 154 |
Иламин % 127 163 197 |
Экремне 9,5 15,0 |
Земы 0,683 1,023 |
0J К |
Модуль при удлинении, |
КГ/см1 |
V И |
А> • 2 її |
|||
Наполнитель |
А> |
I& |
Е п |
||||
(белая сажа) |
Ч о |
Sg.4 |
Ss* |
||||
С А Ей? |
100% |
200% |
300% |
400% |
С а> >- о к к О!* |
S §-К О 8 = |
|
III. Винилпиридиновый каучук (СКМВП-15) — карбоксилорганокрем- |
|||||||
Иезем |
|||||||
У-333 |
30 |
17 |
31 |
41 |
57 |
61 |
8 |
У с СООН-группой |
30 |
33 |
51 |
65 |
79 |
82 |
12 |
У-333 |
60 |
23 |
38 |
51 |
70 |
79 |
10 |
У с СООН-группой |
60 |
43 |
63 |
76 |
88 |
92 |
20 |
Так как в макроцепи карбоксилсодержащего каучука (СКС-30-1) кроме кислых карбоксильных групп имеются еще и ненасыщенные двойные связи, то наиболее эффективным наполнителем для такого полимера будет органо- кремнезем, имеющий на своей поверхности как олефино - вые, так и аминогруппы. Такие олефиноорганокремнеземы были получены последовательным модифицированием поверхности Si02 при помощи олефино - и аминоорганопроиз - водных веществ.
При совмещении полученного олефиноаминоорганокрем - незема с карбоксилсодержащим полимером протекают соответствующие химические взаимодействия амино - и олефиновых групп наполнителя с карбоксильными и оле- финовыми группами полимера, что приводит к более сильному структурированию и усилению системы. Резко улучшаются физико-механические характеристики резин, на. основе карбоксилсодержащего каучука, наполненных винильной и виниламинопроизводной белой сажей.
Как видно из табл. 52, динамические модули при различных удлинениях, предел прочности при растяжении, равновесные модули, концентрации поперечных сшивок резины, наполненной модифицированным кремнеземом, значительно выше соответствующих величин для резины, наполненной немодифицированной белой сажей.
Наполнение винилпиридинового каучука (СКМПВ-15), у которого в макроцепи имеются основные группы, карбо - ксилорганокремнеземами приводит к заметному усилению резины, что также является результатом химического взаимодействия карбоксильных групп наполнителя с основными пиридиновыми группами макромолекул каучука с образованием поперечных химических сшивок.
Еще большего усиления каучука можно достигнуть при действии на систему полимер — наполнитель ионизирующего излучения. Так, при действии у-излучения Со60 на двухком - понентную систему СКС-30-олефинокремнезем физико-механические показатели еще более возрастают. Например, при продолжительности облучения 100 ч модуль при 100% удлинении каучука, наполненного винилорганокремнезе - мом, достигает 80 кг/см2, между тем без облучения этот модуль равен 50 кг/см2. Вероятно, в результате облучения происходит радикализация олефиноорганокремнеземов из-за разрыва химических связей в органических группах модифицированных кремнеземистых наполнителей. Такие радикалы, рекомбинируя с макрорадикалами полимерных цепей в процессе облучения, могут вызвать дополнительную сшивку, а следовательно, и дополнительное усиление наполненных полимерных систем.
Исследование спектра ЭПР у-облученных олефинокремне- земов (фенил-, аллил - и винилорганокремнеземы) показало - наличие свободных радикалов, связанных с поверхностью
І і
Кремнезема связью —Si—С—. Такие радикализованные
Олефиноорганокремнеземы могут быть инициаторами радикальных реакций. В связи с этим совмещение олефино - кремнеземов с мономерами в процессе радиационной полимеризации приводит к дополнительной сшивке наполненных полимерных систем [392—393].
Таким образом, приведенные данные показывают, что п)тем химического модифицирования поверхности можно резко улучшить химические и физические свойства высокодисперсных тел — адсорбентов, наполнителей полимерных материалов, загустителей смазок, носителей жидких и твердых фаз для газовой хроматографии и др. Заменой гидроксильных групп кремнезема органическими радикалами с определенными функциональными группами можно придать кремнезему специфические адсорбционные и ионообменные свойства. Метод химического модифицирования поверхности наполнителя кремнеземов позволяет также в широких пределах изменять физико-химические свойства наполненных ими полимерных материалов.