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硅烷偶联剂常用的使用方法

2021-04-09 09:47:00

有机硅烷偶联剂的选择一般凭借对有机硅烷偶联剂侧试数据进行经脸总结,准确地预测有机硅烷偶联剂是非常困难的。使用有机硅烷偶联剂后加大的键强度是一系列复杂因素的综合,如浸润、表面能、边界层的吸附,酸碱相互作用等。

预选有机硅烷偶联剂可遵循以下规津:不饱和聚醋可选用乙烯纂、环氧基及甲基丙烯陈氧基型有机硅烷偶联剂;环氧树脂宜选用环氧基或氨基型有机硅烷偶联剂;酚醛树脂宜选用氨基或服基型有机硅烷偶联剂;烯烃聚合物宜选用乙烯基型右机硅烷偶联剂;硫磺硫化的橡胶宜选用疏基型有机硅烷偶联剂等。

选用硅烷偶联剂的一般原则 

已知,硅烷偶联剂的水解速度取于硅能团Si-X,而与有机聚合物的反应活性则取于碳官能团C-Y。因此,对于不同基材或处理对象,选择适用的硅烷偶联剂至关重要。选择的方法主要通过试验,预选并应在既有经验或规律的基础上进行。例如,在一般情况下,不饱和聚酯多选用含CH2=CMeCOOVi及CH2-CHOCH2O的硅烷偶联剂:环氧树脂多选用含CH2CHCH2O及H2N硅烷偶联剂:酚醛树脂多选用含H2N及H2NCONH硅烷偶联剂:聚烯烃多选用乙烯基硅烷:使用硫黄硫化的橡胶则多选用烃基硅烷等。由于异种材料间的黏接强度受到一系列因素的影响,诸如润湿、表面能、界面层及酸碱的作用、互穿网络及共价键反应等。因而,光靠试验预选有时还不够准确,还需综合考虑材料的组成及其对硅烷偶联剂反应的敏感度等。为了提高水解稳定性及降低改性成本,硅烷偶联剂中可掺入三烃基硅烷使用;轮胎橡胶助剂对于难黏材料,还可将硅烷偶联剂交联的聚合物共用。 


硅烷偶联剂


硅烷偶联剂用作增黏剂时,主要是通过与聚合物生成化学键、氢键;润湿及表面能效应:改善聚合物结晶性、酸碱反应以及互穿聚合物网络的生成等而实现的。增黏主要围绕3种体系:即(1)无机材料对有机材料;(2)无机材料对无机材料;(3)有机材料对有机材料。对于一种黏接,通常要求将无机材料黏接到聚合物上,故需优先考虑硅烷偶联剂中Y与聚合物所含官能团的反应活性:后两种属于同类型材料间的黏接,涂料助剂故硅烷偶联剂自身的反亲水型聚合物以及无机材料要求增黏时所选用的硅烷偶联剂 。

硅烷偶联剂的结构通式为Y-R-Si-X3,Y代表有机官能基,R代表亚烷基,X代表能够水解的基团。Y主要与有机聚合物反应,而可水解基团X主要控制水解速率。在相同的水解条件下,大基团的可水解基水解速率慢;在酸性环境下,带有较长亚烷基的水解较慢,例如:可水解的烷氧基通常是乙氧基或是甲氧基,在相同的水解条件下,氧基硅烷的水解速率要比三乙氧基硅烷的快。而α-甲基丙烯酰氧基-甲基-三乙氧基硅烷在酸性溶液中其水解速率是γ-甲基丙烯酰氧基-丙基-三乙氧基硅烷的20倍。

偶联剂作用过程

①与硅原子相连的SiX基水解,生成SiOH;

②Si-OH之间脱水缩合,生成含Si-OH的低聚硅氧烷;

③低聚硅氧烷中的SiOH与基材表面的OH形成氢键;

④加热固化过程中,伴随脱水反应而与基材形成共价键连接。


硅烷偶联剂


一般认为,界面上硅烷偶联剂水解生成的3个硅羟基中只有1个与基材表面键合;剩下的2个Si-OH,或与其他硅烷中的Si-OH缩合,或呈游离状态。因此,通过硅烷偶联剂可使2种性能差异很大的材料界面偶联起来,从而提高复合材料的性能和增加黏结强度,并获得性能优异、可靠的新型复合材料。硅烷偶联剂广泛用于橡胶、塑料、胶黏剂、密封剂、涂料、玻璃、陶瓷、金属防腐等领域。现在,硅烷偶联剂已成为材料工业中必不可少的助剂之一。

硅烷偶联剂的作用和效果以被人们认识和肯定,但界面上很少量的偶联剂为什么会对复合材料的性能产生如此显著的影响,现在还没有一套完整的偶联机理来解释。偶联剂在两种不同性质材料之间界面上的作用机理已有不少研究,并提出了化学键合和物理吸着等解释。其中化学键合理论是古老却又是迄今为止被认为是比较成功的一种理论。

但是,界面现象非常复杂,单一的理论往往难以充分说明。通常情况下,化学键合理论能够较好地解释硅烷偶联剂同无机材料之间地作用。根据这一理论,硅烷偶联剂在不同材料界面的偶联过程是一个复杂的液固表面物理化学过程。首先,硅烷偶联剂的粘度及表面张力低,润湿能力较高,对玻璃、陶瓷及金属表面的接触角小,可在其表面迅速铺展开,使无机材料表面被硅烷偶联剂润湿;其次,一旦硅烷偶联剂在其表面铺展开,材料表面被浸润,硅烷偶联剂分子上的两种基团便相近的表面扩散,由于大气中的材料表面总吸附着薄薄的水层,一端的烷氧基便水解成硅羟基,取向于无机材料表面,同时与材料表面的羟基发生水解缩聚反应;有机基团则取向于有机材料表面,在交联固化中,二者发生化学反应,从而完成了异种材料间的偶联过程。

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