硅烷偶联剂解析

fengbin8066

定义  
　　硅烷偶联剂是一类分子内同时具有能与有机树脂，橡胶等有机材料结合的碳官能团和能与无机材料（填料及其他增强材料）结合的可水解性官能团的低分子有机硅的商品名称。这类分子同时存在两种官能团的硅烷，能通过化学反应或物理作用使相互惰性的有机材料和无机材料之间形成分子桥，将两者结合起来，从而起到增进无机材料与有机材料界面之间的结合，提高复合材料性能的作用。
有机硅烷结构和作用机理
　2.1结构：硅烷偶联剂的分子结构，一般用下列式表示：
  Y-R-SiXn(CH3)3-n  n为3或2
式中                  Y为有机官能团  Reactive Group            X为可水解基团
                  环氧 Epoxy                              CL-
　　　　　　　　　　　甲基丙烯酰氧基Methoxy and Ethoxy         MeO-
　　　　　　　　　　　巯基 (SH) Mercapto                        EtO
　　　　　　　　　　　聚硫 (Sx), etc Sufile                        
　　　　　　　　　　　伯胺 primary amine
　　　　　　　　　　　烷基和芳香二胺Alkyl& aromatic diamine
　　　　　　　　　　　烷基 Alkyl
　　　　　　　　　　　异氰酸酯 Isocyanate
　　　　　　　　　　　脲基 Urea
　　　　　　　　　　　乙烯基 Vinyl
　　　　　　　　　　　等等  And others                                      
Y与有机树脂匹配，X控制水解速率和自身稳定性。
2.2作用机理：硅烷偶联剂在两种不同性质的材料之间的界面上的偶联剂已有许多研究，提出的有关偶联剂在界面的作用的各种理论和假说，其中化学键合理论是普遍认同的机理。
2.2.1        X基团与无机材料界面的作用
  关于硅烷偶联剂对表面含羟基的无机材料的作用普遍认同的机理是：
①硅烷首先水解为硅醇：Y-RSiX3 +H2O       Y-R-Si(OH)3+3HX
②水解物缩合成低聚物：

③低聚物再与无机材料表面上的羟基形成氢键
④在干燥和固化条件下与无机基材失水形成共价键:

表面富有羟基的无机材料，才能出现上述的偶联效果，表面缺之羟基的无机材料，硅烷偶联剂的效果不大。
               表1 硅烷偶联剂对各种无机材料的效果
                                                                        
   强                            效果程度                     弱   
玻璃纤维材料        滑石粉                   氧化铁         碳酸钙
二氧化硅类材料      黏土类                   氧化钛         炭黑
氧化铝              云母                     氢氧化镁       氮化硼
紫铜                高岭土                   氧化锌         硫酸镍
二氧化锡            氢氧化铝                 氮化硅         石墨
                    各种金属         
2.2.2  Y基团与有机（聚合物）的作用
关于硅烷偶联剂对有机材料表面的作用，根据材料表面极性，临界表面张力，溶解度参数不同，有以下几种解释：
① 改善了有机材料表面的润湿性。有机材料对无机材料表面产生润湿，才能达到所希望的粘附性。
② 改善了有机聚合物表面与无机材料表面的相溶性。有机聚合物与别硅烷处理的无机基材表面之间的溶解度参数相近，可使无机材料在有机聚合物中充分分散。
③ 有机聚合物表面的官能团经硅烷处理的无机材料表面上的有机官能团形成共价键。
④ 有机聚合物表面的官能团与经硅烷处理的无机材料表面生的有机官能团形成了氢键。
3  主要品种及基本特性及适用体系
化学名称 牌号        　　　　　水中溶解性（1%）        　　　稳定性        适用体系
        　　　评价        　室温状态        　　　　 溶解后PH        一日内        一周内        数周内        一个月以上       
        水        用醋酸调PH        水/乙醇                                                       
3-氨丙基三甲氧基硅烷 KH-540        ○        _        _        容易溶解        11                                       
3-氨丙基三乙氧基硅烷KH-550        ○        _        _        容易溶解        11                                       
N-2-（氨乙基）-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷SI-602        ○        _        _        容易溶解        11                                       
3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷SI-902        ●        _        _        PH4.5搅拌数分钟溶解        11                                       
N-2氨乙基-3氨丙基三甲氧基硅烷KH-792        ○        _        _        容易溶解        11                                       
3-(2,3环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷KH-560        ○        _        _        搅拌数分钟溶解        6                                       
3-(2,3环氧丙氧)丙基甲基二甲氧基硅烷SI-563        ○        _        _        搅拌数分钟溶解        6                                       
3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷KH-570        ●        _        ○        水：乙醇=2:1溶解        5                                       
乙烯基三乙氧基硅烷SI-151        ●        ○        _        PH4.5搅拌40min后溶解        4.5                                       
乙烯基三甲氧基硅烷SI-171        ●        _        _        搅拌数分钟后溶解        5                                       
3-巯丙基三甲氧基硅烷KH-590        ●        _        ○        水：乙醇=2:1溶解        5