偶聯劑的分類及特點

      偶聯劑是一種重要的、應用領域日漸廣泛的處理劑,主要用作高分子復合材料的助劑。偶聯劑分子結構的最大特點是分子中含有化學性質不同的兩個基團,一個是親無機物的基團,易與無機物表面起化學反應;另一個是親有機物的基團,能與合成樹脂或其它聚合物發生化學反應或生成氫鍵溶于其中。因此偶聯劑被稱作“分子橋”,用以改善無機物與有機物之間的界面作用,從而大大提高復合材料的性能,如物理性能、電性能、熱性能、光性能等。偶聯劑用于橡膠工業中,可提高輪胎、膠板、膠管、膠鞋等產品的耐磨性和耐老化性能,并且能減?。危矣昧?從而降低成本。偶聯劑的種類繁多,主要有硅烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑、鋁酸酯偶聯劑,目前應用范圍最廣的是硅烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑。

    一、硅烷偶聯劑硅烷偶聯劑是人們研究最早、應用最早的偶聯劑

　　由于其獨特的性能及新產品的不斷問世,使其應用領域逐漸擴大,已成為有機硅工業的重要分支。它是近年來發展較快的一類有機硅產品,其品種繁多,結構新穎,僅已知結構的產品就有百余種。1945年前后由美國聯碳(uc)和道康寧(dowcorning)等公司開發和公布了一系列具有典型結構的硅烷偶聯劑;1955年又由uc公司首次提出了含氨基的硅烷偶聯劑;從1959年開始陸續出現了一系列改性氨基硅烷偶聯劑;20世紀60年代初期出現的含過氧基硅烷偶聯劑和60年代末期出現的具有重氮和疊氮結構的硅烷偶聯劑,又大大豐富了硅烷偶聯劑的品種。近幾十年來,隨著玻璃纖維增強塑料的發展,促進了各種偶聯劑的研究與開發。改性氨基硅烷偶聯劑、過氧基硅烷偶聯劑和疊氮基硅烷偶聯劑的合成與應用就是這一時期的主要成果。我國于20世紀60年代中期開始研制硅烷偶聯劑。首先由中國科學院化學研究所開始研制γ官能團硅烷偶聯劑,南京大學也同時開始研制α官能團硅烷偶聯劑。

　　1.1　結構和作用機理硅烷偶聯劑的通式為ＲｎＳｉＸ(4-ｎ),式中Ｒ為非水解的、可與高分子聚合物結合的有機官能團。根據高分子聚合物的不同性質,Ｒ應與聚合物分子有較強的親和力或反應能力,如甲基、乙烯基、氨基、環氧基、巰基、丙烯酰氧丙基等。Ｘ為可水解基團,遇水溶液、空氣中的水分或無機物表面吸附的水分均可引起分解,與無機物表面有較好的反應性。典型的Ｘ基團有烷氧基、芳氧基、?；?、氯基等;最常用的則是甲氧基和乙氧基,它們在偶聯反應中分別生成甲醇和乙醇副產物。由于氯硅烷在偶聯反應中生成有腐蝕性的副產物氯化氫,因此要酌情使用。近年來,相對分子質量較大和具有特種官能團的硅烷偶聯劑發展很快,如辛烯基、十二烷基,還有含過氧基、脲基、羰烷氧基和陽離子烴基硅烷偶聯劑等。利用硅烷偶聯劑對碳纖維表面進行處理,偶聯劑中的甲基硅烷氧端基水解生成的硅羥基與碳纖維表面的羥基官能團進行鍵合,結果復合材料的拉伸強度和模量提高,空氣孔隙率下降。,在對烷基氯硅烷偶聯劑處理玻璃纖維表面的研究中發現,用含有能與樹脂反應的硅烷基團處理玻璃纖維制成聚酯玻璃鋼,其強度可提高2倍以上。用烷基氯硅烷水解產物處理玻璃纖維表面,能與樹脂產生化學鍵。這是人們第一次從分子的角度解釋表面處理劑在界面中的狀態。硅烷偶聯劑由于在分子中具有這兩類化學基團,因此既能與無機物中的羥基反應,又能與有機物中的長分子鏈相互作用起到偶聯的功效,

          其作用機理大致分以下3步:

           (1)Ｘ基水解為羥基;

           (2)羥基與無機物表面存在的羥基生成氫鍵或脫水成醚鍵;

           (3)Ｒ基與有機物相結合。

　　1.2　應用在使用硅烷偶聯劑時,為獲得較佳的效果,需對每一個特定的應用場合進行試驗預選。根據一般規律及試驗經驗所歸納的不同材料用硅烷偶聯劑。硅烷偶聯劑一般要用水和乙醇配成很稀的溶液使用,也可單獨用水溶解,但要先配成質量分數為0.001的醋酸水溶液,以改善溶解性和促進水解;還可配成非水溶液使用,如配成甲醇、乙醇、丙醇或苯的溶液;也能夠直接使用。硅烷偶聯劑的用量與其種類和填料表面積有關,即硅烷偶聯劑用量(ｇ)=[填料用量(ｇ)×填料表面積(ｍ2·ｇ-1)]/硅烷最小包覆面積(ｍ2·ｇ-1)。如果填料表面積不明確,則硅烷偶聯劑的加入量可確定為填料量的1%左右。