硅烷偶联剂及其应用技术.ppt

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1、硅烷偶联剂及其应用技术2016.1.19二、硅烷偶联剂的分类一、硅烷偶联剂的结构特点三、硅烷偶联剂的使用方法五、硅烷偶联剂在聚合物基复合材料中的应用主要内容六、硅烷偶联剂应用于聚合物基复合材料中的原理四、硅烷偶联剂的选取原则偶联剂是一种重要的、应用领域日渐广泛的处理剂，主要用作聚合物基复合材料的助剂。偶联剂分子结构的最大特点是分子中含有化学性质不同的两个基团,一个是亲无机物的基团，易与无机物表面起化学反应；另一个是亲有机物的基团，能与合成树脂或其它聚合物发生化学反应或生成氢键。因此，偶联剂被称作“分子桥”，用以改善无机物与有机物之间的

2、界面作用,从而大大提高复合材料的性能。例如，偶联剂用于橡胶工业中，可提高轮胎、胶板、胶管、胶鞋等产品的耐磨性和耐老化性能，并且能减小天然橡胶的用量，从而降低成本。基本介绍偶联剂种类繁多，主要有SCA偶联剂(SCA)、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、双金属偶联剂、磷酸酯偶联剂、硼酸酯偶联剂、铬络合物及其他高级脂肪酸、醇、酯的偶联剂等，目前应用范围最广的是SCA和钛酸酯偶剂。SCA的通式为Q-R’-Si-(R)n-X(3-n)，其化合物中都含有硅官能团(X)和有机官能团(碳官能团Q)，这两类官能团都是可进行化学反应的活性基团。X为可水解基团，

3、遇水溶液、空气中的水分或无机物表面吸附的水分均可引起分解，与无机物表面有较好的反应性；Q为非水解、可与聚合物结合的有机官能团。此外，还有将硅官能团和碳官能团键合在一起的具有惰性的连接基团R’，以及硅-碳键合的惰性烃基R。不同SCA的硅官能团可进行的化学反应基本类似，而碳官能团所能进行的化学反应则不同，各具特色。根据聚合物的不同性质,Q应与聚合物分子有较强的亲和力或反应能力,如甲基、乙烯基、氨基、环氧基、巯基、丙烯酰氧丙基等。典型的X基团有烷氧基、芳氧基、酰基、氯基等，但最常用的则是甲氧基和乙氧基。一、硅烷偶联剂的结构特点由此可看出，S

4、CA水解生成硅醇是与纳米粒子表面发生作用的前提，而SCA的水解程度又直接影响硅醇与纳米粒子表面的作用效果，因为只有硅醇单体才能对纳米粒子形成稳定结构。此外，在水解过程中往往伴随着浑浊现象的发生，这意味着体系中SCA完全缩合成硅氧烷高聚体，此时SCA失去了分散纳米SiO2的能力。因此，研究SCA的水解机理和分散机理具有重要意义。SCA的水解反应为离解的化学平衡体系，其水解平衡反应式如下：酸和碱是以上反应的催化剂，在中性介质中，SCA水解速率较慢。一般来说，酸催化水解比较容易实现。SCA中有机基团的种类和硅酸酯基团的种类和数目越多，其SC

5、A的水解稳定性越大，即生成的硅醇也就越稳定。因此，提高SCA的稳定性对分散纳米粒子具有重要意义。SCA水解生成的硅醇极性较强，容易形成氢键以及脱水缩合生成硅氧烷或聚硅氧烷。SCA羟基之间的缩合反应并非两个简单化合物之间的反应，而是代表各种中间产物的硅羟基之间的缩合。而硅羟基间的缩合反应使硅醇的数目减少，使硅醇和纳米粒子的作用相应减弱，不利于纳米粒子的分散。因此，在使用SCA分散纳米粒子的过程中，应尽量降低产生缩合反应的机会。在SCA的水解过程中同时存在水解和缩合2个反应，这2个反应处于竞争状态，为了保证体系中硅醇的含量尽可能大，应控制

6、缩合反应的发生。调整水溶液pH值在2-4之间，视不同的SCA而异。加入适量的甲醇或乙醇有利于水溶液稳定。加入弱酸性阴离子(如醋酸)有机硅表面活性剂有利于SCA分离和水解，有利于水溶液稳定。多官能团羧酸通常比单官能团羧酸好，含磷酸酯官能团的有机硅羧酸盐是优良的稳定剂。控制水溶液浓度也是必要的。SCA水解程度的检测电导率测定法设备简单、操作方便。因SCA与去离子水的电导率很低，而水解产物硅醇和醇的电导率较高，即使溶剂中采用了醇，因其在反应前后量不变而对体系在水解过程中电导率会逐渐增大，一定时间后反应达到平衡，相应电导率值也稳定在某一值，这

7、表明水解已达平衡，测试硅醇含量为该水解条件下的最大值。电导率测定法浑浊程度观测法在装有SCA溶液的烧杯下面放入一张印有清晰字体的纸片，随着SCA水解时间延长，隔一段时间定期观察一次，当不能读出纸片上的字体时，此时表明SCA水解溶液变浑浊，记录此时的水解时间。红外光谱检测法傅立叶变换红外光谱仪测试水解前后特征集团的变化，并验证SCA的水解程度。采用涂膜烘干制样法(红外灯在60-80℃烘10min使水分和产生的醇挥发)作红外分析。二、硅烷偶联剂的分类SCA最早是由美国联合碳化合物公司(UCC)为发展玻璃纤维增强塑料而开发的，主要用于以硅酸

8、盐、二氧化硅为填料的塑料和橡胶的加工及其性能改进。1947年，K.W.ralph等发现用烯丙基二乙氧基硅烷偶联剂处理玻璃纤维制成的聚酯复合材料可以得到双倍的强度，开创了SCA实际应用的历史。从20世纪50年代至60年代相