结合红外和理论计算研究白炭黑与聚硅氧烷间的相互作用

硅橡胶兼具无机有机材料特征，具有耐高低温、低表面张力、透气性好等优异性能，但往往需要补强才具有实际用途。白炭黑是硅橡胶的重要补强填料，从分子层次上理解补强机理是设计综合性能优异的硅橡胶材料的基础。本项目将以红外光谱和量子化学计算相结合的方式，从模型分子出发，对两者间可能存在的相互作用进行系统研究，并重点衡量弱相互作用（C-H…O、卤键和π氢键）在补强过程中所扮演的角色。首先，以有机小分子为模型分子，以量子化学计算结合红外和二维相关分析技术，初步了解片段间的相互作用情况；然后，以各种低聚硅氧烷和二氧化硅表面为模型，进行周期性边界条件的量子化学计算，分析聚硅氧烷的取代基和Si-O-Si骨架、白炭黑的晶形、晶面和表面修饰度对界面间相互作用的影响；最后，通过一系列横向比较，对弱相互作用在聚硅氧烷与白炭黑界面的相互作用中所扮演的角色做出评估，期望由此对白炭黑补强硅橡胶有一个初步的认识。

首先，针对聚硅氧烷骨架Si-O-Si高度柔性、常规算法无法确保能对其几何结构和线性化能垒作出合理的描述的现状，对近年来新发展起来的各类密度泛函算法是否能准确预测硅醚的几何结构、Si-O-Si键的线性化能垒及氧原子的碱性进行了评价。其次，以红外光谱和量子化学计算相结合的方式考察了聚硅氧烷模型小分子参与相互作用的情况，比较了骨架氧和苯基、乙烯基形成氢键作用的能力及强度，并从分子轨道间相互作用的层次比较分析了Si-O-C与Si-O-Si构架下氧原子碱性存在显著差别的根本原因，结果表明Si-O-Si骨架氧碱性很弱。再次，考察了低聚硅氧烷与三种二氧化硅晶面间的相互作用，发现与平衡状态下的聚硅氧烷骨架氧与二氧化硅表面羟基不存在氢键作用，只有聚硅氧的端羟基会形成氢键。为此，我们增加了硅油－白炭黑分散体系的流变实验，考察了硅油的端基、分子量、白炭黑表面修饰度对体系流变性能的影响，分析了界面间氢键作用在其中所起的作用。本项目的研究表明，聚二甲基硅氧烷骨架氧很难与白炭黑表面羟基形成氢键作用，只有在高度形变时，即Si-O-Si键角大幅度减小时，或Si上具有供电子取代基（如苯基）等氧的碱性会有所增加，形成氢键作用。