偶聯劑作用

偶聯劑是一種具有特殊結構的有機矽化合物。在它的分子中，同時具有能與無機材料 ( 如玻璃、水泥、金屬等 ) 結合的反應性基團和與有機材料 ( 如合成樹脂等 ) 結合的反應性基團。常用的理論有化學鍵理論、表面浸潤理論、變形層理論、拘束層理論等。偶聯劑作表面改性劑，用於無機填料填充塑膠時，可以改善其分散性和黏合性。

基本介紹

• 中文名：偶聯劑作用
• 相關：偶聯劑
• 所屬：有機矽化合物
• 相關人：B ． Arkles

作用機理

B ． Arkles 根據偶聯劑的偶聯過程提出了4步反應模型，即：①與矽原子相連的 SiX 基水解，生成 SiOH ；② Si — OH 之間脫水縮合，生成含 Si — OH 的低聚矽氧烷；③ 低聚矽氧烷中的 SiOH 與基材表面的 OH 形成氫 鍵；④加熱固化過程中，伴隨脫水反應而與基材形成共價鍵連線。一般認為，界面上矽烷偶聯劑水解生成的 3 個矽羥基中只有 1 個與基材表面鍵合；剩下的 2 個 Si — OH ，或與其他矽烷中的 Si — OH 縮合，或呈游離狀態。因此，通過矽烷偶聯劑可使 2 種性能差異很大的材料界面偶聯起來，從而提高複合材料的性能和增加黏結強度，並獲得性能優異、可靠的新型複合材料。矽烷偶聯劑廣泛用於橡膠、塑膠、膠黏劑、密封劑、塗料、玻璃、陶瓷、金屬防腐等領域。現在，矽烷偶聯劑已成為材料工業中必不可少的助劑之一。

起源

1945 年 前後由美國聯碳 (UC)和道康寧 (DowCorning) 等公司開發了一系列具有典型結構的矽烷偶聯劑； 1955 年又由 UC 公司首次提出了含氨基的矽烷偶聯劑；從1959年開始陸續出現了一系列改性氨基矽烷偶聯劑；20 世紀60年代初期出現了含過氧基的矽烷偶聯劑，60年代末期出現了具有重氮和疊氮結構的矽烷偶聯劑。近幾十年來，隨著玻璃纖維增強塑膠的發展，促進了各種偶聯 劑的研究與開發。改性氨基矽烷偶聯劑、過氧基矽烷 偶聯劑和疊氮基矽烷偶聯劑的合成與套用就是這一時期的主要成果。我國於20世紀60年代中期開始研製矽烷偶聯劑。首先由中國科學院化學研究所開始研製官能團矽烷偶聯劑，南京大學也同時開始研製 官能團矽烷偶聯劑。本文僅對矽烷偶聯劑在複合材料中的套用進行闡述。

作用

(1) 偶聯改性是在粒子表面發生化 學偶聯反應，粒子表面經偶聯劑處理後可以與有機物 產生很好的相容性。施衛賢等 用矽烷偶聯劑 KH - 570 對磁性 Fe3O4 進行表面改性，並進一步對磁性複合粒子進行了分析和表征。用矽烷偶聯劑 KH - 550 處理Fe3 O4磁性微粒；用掃描電鏡檢測改性微粒的表面特徵。結果表明： Fe3 O4 和改性 Fe3O4 微粒均呈不規則形狀，但改性 Fe3O4 微粒的分散性明顯好於未改性 Fe3 O4 微粒，這是由於微粒表面的偶聯劑阻止了 Fe3 O4 微粒間的團聚。 Fe3O4 和改性 Fe3O4 的粒度測試結果表明：改性 Fe3O4 有較大的比表面積、較小的粒徑。

矽烷偶聯劑作為表面改性劑在金屬防腐預處理上的套用是它的最新套用。要獲得與金屬基體結合良好的防腐塗層，必須選擇合適的塗覆系統、制定合理的塗覆工藝、進行嚴格的表面預處理。目前進行表面預處理的方法有 2 種：①採用電漿聚合方法在金屬表面上沉積一層有機物薄膜，但該法成本高，使其推廣套用受到限制；②採用有機矽烷偶聯劑水溶液處理，在金屬表面上沉積一層很薄的有機矽烷薄膜。由於矽烷偶聯劑在水解後能形成三羥基的矽醇，醇羥基之間可以互相反應生成一層交聯的緻密網狀疏水膜，由於這種膜表面有能夠和樹脂起反應的有機官能基團，因此會大大提高漆膜的附著力，抗腐蝕、抗摩擦、抗衝擊的能力也隨之提高。

(2) 在塑膠研究和生產過程中，通常使用大量廉價的無機填料 ( 或增強劑 ) 。這不僅能增加塑膠的質量，降低產品的成本，而且還能改善塑膠製品的某些性能。然而，由於無機填料與有機聚合物在化學結構和物理形態上存在著顯著的差異，兩者缺乏親和性，往往會使塑膠製品的力學性能和成型加工性能受到影響。通過偶聯劑與無機填料進行化學反應或物理包覆等方法，使填料表面由親水性變成親油性，從而達到與聚合物的緊密結合，使材料的強度、黏結力、電性能、疏水性、抗老化性能等顯著提高。

有人曾用各種矽烷偶聯劑對玻璃纖維表面進行處理，結果表明：含有氨基的偶聯劑比不含氨基的偶聯劑對玻璃纖維的表面處理效果好，因為偶聯劑的氨基與添加劑以及基體中的氨基有親和性，再加上起交聯作用的助劑，使得複合材料的界面具有較好的粘合性，而沒有氨基就沒有這一功能；氨基還能與接枝的酸酐官能團反應，生成跨越界面的化學鍵，使界面的粘接強度提高，複合材料的整體性能提高。

偶聯劑具有 2 種不同性質的基團，親無機物基團可與無機物表面 ( 如玻璃、粉煤灰等含矽材料 ) 的化學基團反應，形成強固的化學鍵合；親有機物基團可與有機物分子反應或物理纏繞，從而使有機與無機材料的 界面實現化學鍵接，大幅度提高粘接強度。但偶聯劑是否可“偶聯” 2 種無機材料呢 ? 馬一平首先做了有益的嘗試，用矽烷偶聯劑 KH -570 塗刷大理石，再抹 水泥淨漿，並進行巨觀力學性能試驗，測得劈拉強度提高達 57 % ～ 84 %。還有人分別在砂漿和花崗岩表面塗 抹矽烷偶聯劑 KH- 570 溶液，再補新砂漿，結果顯示拉伸強度可分別比不塗偶聯劑時提高 38 %和 23 %， 據此推測，界面層中可能產生了大量的化學鍵。

最新發展

隨著高性能和高功能化材料的迅速發展，偶聯劑進入更廣闊的套用領域。因此，矽烷偶聯劑已成為有機矽工業、複合材料工業、高分子工業中不可缺少的助劑之一。目前，已有不同種類、不同特性的矽烷偶 聯劑新產品問世，豐富著矽烷偶聯劑家族。美國《橡膠和塑膠新聞》報導： Cromptonosi 公司開發了一種新型矽烷偶聯劑 NXT 。據該公司稱，這種偶聯劑給白炭黑輪胎膠料的混煉技術帶來了重大突破。

新一代 NXT 矽烷偶聯劑是現有偶聯劑的換代產品，填 充於白炭黑的胎面膠中可以降低膠料黏度、減少混煉 段數、改善膠料加工性能、促進補強劑分散、提高膠料的動態力學性能。此外，這種偶聯劑提高了白炭黑胎 面膠的耐老化性能，延長膠料貯存時間，同時還減少了成品輪胎中揮發性有機物的含量。 NXT 偶聯劑開發成功已有7年，但 2002 年 9 月 10 日 才正式投放市場。白炭黑轎車輪胎由於燃油消耗量低、牽引性好、耐滑、耐磨，因而銷量年增長率達 10 % 以上。因此，使用 100 % 白炭黑的轎車輪胎胎面膠對混煉技術提出了新的要求。加工白炭黑輪胎胎面膠的主要缺點是需要在幾段混煉過程中反覆冷卻膠料，導致輪胎總成本增加。使用 Cromptonosi 公司 NXT 矽烷偶聯劑時可採用 ～ 段法混煉工藝製備胎面膠。一段法胎面膠改善了動 態力學性能。德國迪高莎公司對矽烷偶聯劑的結構進 行改性，使改性後的矽烷偶聯劑套用到複合材料中獲得更好的效果，在某方面有更優越的用途。該公司制 備的硫氰基丙基三乙氧基矽烷 ( 德國迪高莎公司，商品名為 Si - 264) 是一類橡膠用偶聯劑，較矽烷偶聯劑 雙 -[3-( 三乙氧基矽 ) 丙基 ]- 四硫化物 ( 德國迪高莎公司商品名為 Si-69) 性能更穩定，其優點在於不易使橡膠燒焦。矽烷偶聯劑 Si-264 適用於硫化型的膠料， 具有多功能的作用，可兼作加工的補強劑、偶聯劑及增 塑劑，可顯著提高填充料的物理及加工性能。