张浩等：改性多孔钢渣/橡胶复合材料的制备及其性能 91· 钢渣孔中的杂质（如游离氧化钙f-Ca0),从而达到 2.2硅烷KH550/多孔钢渣质量比对改性多孔钢 大幅增加钢渣比表面积、孔体积和平均孔径的目的： 渣/橡胶复合材料力学性能的影响 但是过量的磷酸不仅可以去除钢渣孔中的f-Ca0, 从表4可以看出，随硅烷KH550/多孔钢渣质量 而且与钢渣中的Ca(OH)2进行反应，导致钢渣结构 比的增加，改性多孔钢渣/橡胶复合材料的力学性能 坍塌，所以改性多孔钢渣的比表面积小幅下降，孔体 呈现先增加后稳定的趋势.当硅烷KH550/多孔钢 积和平均孔径大幅减小 渣质量比大于0.3：31.2时，改性多孔钢渣/橡胶复 表3不同磷酸/钢渣质量比改性多孔钢渣的孔结构 合材料的力学性能较好，拉伸强度为18.4~ Table 3 Pore structure of modified porous steel slag in different mass ra- 18.6MPa、邵尔A硬度为68.8~69.1、撕裂强度为 tios of phosphoric acid/steel slag 44.6~44.7kNm-1.同时结合表2与表4还可以 比表面积/ 孔体积/ 平均孔径/ 看出，一方面未经磷酸与硅烷KH550改性的钢渣制 试样 (m2…g) (mL.g-) nm 备钢渣/橡胶复合材料(0改性多孔钢渣/橡胶复合 0# 3.952 0.0232 19.97 材料)，其力学性能极差远远小于炭黑/橡胶复合材 1# 12.754 0.0747 23.75 料(00"改性多孔钢渣/橡胶复合材料)的力学性能： 2# 15.351 0.0896 25.82 另一方面4”、2与5改性多孔钢渣/橡胶复合材料 3# 14.033 0.0483 16.18 的力学性能大于炭黑/橡胶复合材料(00改性多孔 钢渣/橡胶复合材料)的力学性能，说明利用磷酸与 表4硅烷KH550/多孔钢渣质量比对改性多孔钢渣/橡胶复合材料力学性能的影响 Table 4 Effect of the mass ratio of silane KH550/porous steel slag on the mechanical properties of modified porous steel slag/rubber composite materials 试样 磷酸/g 钢渣/g 硅烷KH550/g 拉伸强度/MPa 邵尔A硬度 撕裂强度/(kNm1) 00* 0 0 0 14.5 64.8 39.7 0 0 30 0 11.1 63.0 32.9 4 1.2 0 0.1 14.2 66.7 41.8 2# 1.2 30 0.3 18.4 68.8 44.6 5# 1.2 30 0.5 18.6 69.1 44.7 硅烷KH550改性后的改性多孔钢渣与橡胶的相容 当硅烷KH550/多孔钢渣质量比大于0.3：31.2 性高，提高力学性能、 时，硅烷KH550对钢渣的改性效果稳定 从图1(a)可以看出，钢渣在3600~3400 2.3促进剂/硫磺质量比对改性多孔钢渣/橡胶复 cm-1、1450cm-1和1000~900cm-1处附近分别出 合材料力学性能的影响 现0一H伸缩振动峰、非对称伸缩振动峰和Si一0 从表5可以看出，当促进剂/硫磺质量比为 不对称伸缩振动峰，说明钢渣中存在一定量的吸 0.8:1.2时，改性多孔钢渣/橡胶复合材料的力学性 附水和结晶水、CO?、以孤立岛式结构存在的硅氧 能最优，过多或过少的促进剂/硫磺质量比都会影响 四面体Si04.图1(b)~(d)可以看出，改性多孔 改性多孔钢渣/橡胶复合材料的力学性能.这是因 钢渣在3600~3400cm-1、1450cm-1和1000~900 为硫化过程中少量硫磺与橡胶分子不饱和键交联， cm~1处附近分别出现与钢渣相同的振动峰：同时 而大量硫磺形成对橡胶弹性增长无效的内硫环，当 对比于图1(a),改性多孔钢渣在3600~3400cm-1 促进剂参与硫化过程时，适量的促进剂/硫磺质量比 处出现的0一H伸缩振动峰强度小幅减小，在 可以最大限度地消除硫磺形成的内硫环，减少无效 1000~900cm-1处出现的Si一0不对称伸缩振动 交联键中的硫原子数，提高改性多孔钢渣/橡胶复合 峰强度明显增加.说明一方面硅烷KH550与钢渣 材料的力学性能. 表面的羟基发生化学作用，改善钢渣的表面结构： 从图2可以看出，6"改性多孔钢渣/橡胶复合材 另一方面硅烷KH550在钢渣表面吸附进行键合作 料表面存在大量改性多孔钢渣团聚沉淀，说明促进 用，促使Si一0不对称伸缩振动峰增强.进一步分 剂/硫磺质量比过大导致改性多孔钢渣在橡胶中的 析图1(c)~(d)还可以看出，2"改性多孔钢渣的 分散性能降低，从而出现显著的橡胶/改性多孔钢渣 傅里叶变换红外光谱测试结果与5改性多孔钢渣 的不相容性界面，造成力学性能降低.7”改性多孔 的傅里叶变换红外光谱测试结果基本一致，说明 钢渣/橡胶复合材料表面存在大面积因改性多孔钢张 浩等: 改性多孔钢渣/ 橡胶复合材料的制备及其性能 钢渣孔中的杂质(如游离氧化钙 f鄄CaO),从而达到 大幅增加钢渣比表面积、孔体积和平均孔径的目的; 但是过量的磷酸不仅可以去除钢渣孔中的 f鄄CaO, 而且与钢渣中的 Ca(OH)2进行反应,导致钢渣结构 坍塌,所以改性多孔钢渣的比表面积小幅下降,孔体 积和平均孔径大幅减小. 表 3 不同磷酸/ 钢渣质量比改性多孔钢渣的孔结构 Table 3 Pore structure of modified porous steel slag in different mass ra鄄 tios of phosphoric acid / steel slag 试样 比表面积/ (m 2·g - 1 ) 孔体积/ (mL·g - 1 ) 平均孔径/ nm 0 # 3郾 952 0郾 0232 19郾 97 1 # 12郾 754 0郾 0747 23郾 75 2 # 15郾 351 0郾 0896 25郾 82 3 # 14郾 033 0郾 0483 16郾 18 2郾 2 硅烷 KH550 / 多孔钢渣质量比对改性多孔钢 渣/ 橡胶复合材料力学性能的影响 从表 4 可以看出,随硅烷 KH550 / 多孔钢渣质量 比的增加,改性多孔钢渣/ 橡胶复合材料的力学性能 呈现先增加后稳定的趋势. 当硅烷 KH550 / 多孔钢 渣质量比大于 0郾 3颐 31郾 2 时,改性多孔钢渣/ 橡胶复 合材 料 的 力 学 性 能 较 好, 拉 伸 强 度 为 18郾 4 ~ 18郾 6 MPa、邵尔 A 硬度为 68郾 8 ~ 69郾 1、撕裂强度为 44郾 6 ~ 44郾 7 kN·m - 1 . 同时结合表 2 与表 4 还可以 看出,一方面未经磷酸与硅烷 KH550 改性的钢渣制 备钢渣/ 橡胶复合材料(0 #改性多孔钢渣/ 橡胶复合 材料),其力学性能极差远远小于炭黑/ 橡胶复合材 料(00 #改性多孔钢渣/ 橡胶复合材料)的力学性能; 另一方面 4 # 、2 #与 5 #改性多孔钢渣/ 橡胶复合材料 的力学性能大于炭黑/ 橡胶复合材料(00 #改性多孔 钢渣/ 橡胶复合材料)的力学性能,说明利用磷酸与 表 4 硅烷 KH550 / 多孔钢渣质量比对改性多孔钢渣/ 橡胶复合材料力学性能的影响 Table 4 Effect of the mass ratio of silane KH550 / porous steel slag on the mechanical properties of modified porous steel slag / rubber composite materials 试样 磷酸/ g 钢渣/ g 硅烷 KH550 / g 拉伸强度/ MPa 邵尔 A 硬度 撕裂强度/ (kN·m - 1 ) 00 # 0 0 0 14郾 5 64郾 8 39郾 7 0 # 0 30 0 11郾 1 63郾 0 32郾 9 4 # 1郾 2 30 0郾 1 14郾 2 66郾 7 41郾 8 2 # 1郾 2 30 0郾 3 18郾 4 68郾 8 44郾 6 5 # 1郾 2 30 0郾 5 18郾 6 69郾 1 44郾 7 硅烷 KH550 改性后的改性多孔钢渣与橡胶的相容 性高,提高力学性能. 从图 1 ( a) 可 以 看 出, 钢 渣 在 3600 ~ 3400 cm - 1 、1450 cm - 1和 1000 ~ 900 cm - 1处附近分别出 现 O—H 伸缩振动峰、非对称伸缩振动峰和 Si—O 不对称伸缩振动峰,说明钢渣中存在一定量的吸 附水和结晶水、CO 2 - 3 、以孤立岛式结构存在的硅氧 四面体 SiO4 . 图 1 ( b) ~ ( d) 可以看出,改性多孔 钢渣在 3600 ~ 3400 cm - 1 、1450 cm - 1和 1000 ~ 900 cm - 1处附近分别出现与钢渣相同的振动峰;同时 对比于图 1( a) ,改性多孔钢渣在 3600 ~ 3400 cm - 1 处出 现 的 O—H 伸 缩 振 动 峰 强 度 小 幅 减 小, 在 1000 ~ 900 cm - 1 处出现的 Si—O 不对称伸缩振动 峰强度明显增加. 说明一方面硅烷 KH550 与钢渣 表面的羟基发生化学作用,改善钢渣的表面结构; 另一方面硅烷 KH550 在钢渣表面吸附进行键合作 用,促使 Si—O 不对称伸缩振动峰增强. 进一步分 析图 1( c) ~ ( d) 还可以看出,2 #改性多孔钢渣的 傅里叶变换红外光谱测试结果与 5 #改性多孔钢渣 的傅里叶变换红外光谱测试结果基本一致,说明 当硅烷 KH550 / 多 孔 钢 渣 质 量 比 大 于 0郾 3 颐 31郾 2 时,硅烷 KH550 对钢渣的改性效果稳定. 2郾 3 促进剂/ 硫磺质量比对改性多孔钢渣/ 橡胶复 合材料力学性能的影响 从表 5 可以看出, 当促进剂/ 硫磺质量比为 0郾 8颐 1郾 2 时,改性多孔钢渣/ 橡胶复合材料的力学性 能最优,过多或过少的促进剂/ 硫磺质量比都会影响 改性多孔钢渣/ 橡胶复合材料的力学性能. 这是因 为硫化过程中少量硫磺与橡胶分子不饱和键交联, 而大量硫磺形成对橡胶弹性增长无效的内硫环,当 促进剂参与硫化过程时,适量的促进剂/ 硫磺质量比 可以最大限度地消除硫磺形成的内硫环,减少无效 交联键中的硫原子数,提高改性多孔钢渣/ 橡胶复合 材料的力学性能. 从图 2 可以看出,6 #改性多孔钢渣/ 橡胶复合材 料表面存在大量改性多孔钢渣团聚沉淀,说明促进 剂/ 硫磺质量比过大导致改性多孔钢渣在橡胶中的 分散性能降低,从而出现显著的橡胶/ 改性多孔钢渣 的不相容性界面,造成力学性能降低. 7 #改性多孔 钢渣/ 橡胶复合材料表面存在大面积因改性多孔钢 ·91·