表面改性是無(wú)機(jī)粉體在高分子材料中應(yīng)用的關(guān)鍵加工技術(shù)之一，主要是利用物理、化學(xué)等方法對(duì)粉體表面進(jìn)行處理，根據(jù)應(yīng)用的需要有目的的改變粉體表面的物理化學(xué)性質(zhì)或賦予其新的功能，從而拓寬材料的應(yīng)用范圍。一般來(lái)說(shuō)，粉體的表面改性效果在很大程度上依賴于表面改性劑在粉體表面的作用，而硅烷偶聯(lián)劑作為一類具有特殊結(jié)構(gòu)的化合物，改善無(wú)機(jī)材料與有機(jī)材料之間的相容性和結(jié)合力方面得到了廣泛應(yīng)用。然而，市場(chǎng)上的硅烷偶聯(lián)劑五花八門，如何選擇最適合特定應(yīng)用的改性劑成為了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

硅烷偶聯(lián)劑作用原理

硅烷偶聯(lián)劑通常具有以下通式：Y－Ｒ－Si－X₃其中，Y是有機(jī)官能團(tuán)，可以是環(huán)氧基、氨基、乙烯基等；Si 是硅原子；R是亞烷基；X為可水解基團(tuán)，如烷氧基、酰氧基等。可水解基團(tuán)在水中可水解生成硅羥基（-Si-OH），進(jìn)而與無(wú)機(jī)材料表面的羥基發(fā)生縮合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的硅氧烷鍵（Si-O-Si）。而有機(jī)官能團(tuán)則留在無(wú)機(jī)材料表面，賦予無(wú)機(jī)材料表面新的特性，提升與有機(jī)材料的相容性。

硅烷偶聯(lián)劑原理

硅烷偶聯(lián)劑如何選擇應(yīng)用？

從作用原理可知，硅烷偶聯(lián)劑的水解速度取于可水解基團(tuán)X，而與有機(jī)高分子材料的反應(yīng)活性則取于有機(jī)官能團(tuán)Y。下面就探討一下從這兩類官能團(tuán)出發(fā)，看看如何選擇硅烷偶聯(lián)劑。

1、可水解基團(tuán)選擇策略

①可水解基團(tuán)的水解速度與其自身基團(tuán)大小有關(guān)：在相同的水解條件下，大基團(tuán)的可水解基水解速率慢。以乙氧基或是甲氧基為例，在相同的水解條件下，三甲氧基硅烷的水解速率要比三乙氧基硅烷的快。

②多水解官能團(tuán)提升水解穩(wěn)定性：對(duì)于要求高度耐水性的應(yīng)用場(chǎng)合，若傳統(tǒng)硅烷偶聯(lián)劑形成的化學(xué)鍵水解穩(wěn)定性不足，可考慮使用雙官能團(tuán)或多官能團(tuán)的硅烷偶聯(lián)劑，這些硅烷能形成緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顯著提高材料的耐水性和整體性能。

PS：需要注意的是，無(wú)機(jī)材料的表面性質(zhì)也會(huì)影響硅烷偶聯(lián)劑的應(yīng)用效果。例如，羥基作為硅烷偶聯(lián)劑與無(wú)機(jī)材料表面發(fā)生反應(yīng)的主要活性位點(diǎn)，羥基濃度越高，反應(yīng)越充分，偶聯(lián)效果越理想。此外，不同類型的羥基（如孤立羥基、締合羥基等）對(duì)硅烷偶聯(lián)劑的反應(yīng)活性不同，孤立羥基具有較高的反應(yīng)活性，能夠與硅烷偶聯(lián)劑中的硅羥基（-Si-OH）迅速發(fā)生縮合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的硅氧烷鍵。而締合羥基之間的氫鍵會(huì)降低其反應(yīng)活性。

2、有機(jī)官能團(tuán)選擇策略

有機(jī)官能團(tuán)基團(tuán)作為與有機(jī)物直接接觸的基團(tuán)，決定了硅烷偶聯(lián)劑在有機(jī)高分子材料中的應(yīng)用效果，只有當(dāng)Y基團(tuán)能和對(duì)應(yīng)的有機(jī)物基體起反應(yīng)時(shí)，才能更好地提高應(yīng)用效果。目前根據(jù)有機(jī)官能團(tuán)的種類分類，常見的硅烷偶聯(lián)劑主要包括羥基型、乙烯基型、氨基型、丙烯酸型、醇酸型等。

①乙烯基硅烷偶聯(lián)劑

乙烯基硅烷偶聯(lián)劑主要包括乙烯基三氯硅烷、甲基乙烯基二氯硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷等品種，是目前用于聚烯烴材料交聯(lián)的最常用的交聯(lián)劑，其乙烯基官能團(tuán)與烯烴聚合物在光引發(fā)劑或者過(guò)氧化物條件下引發(fā)自由基反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)硅烷接枝，硅烷以交聯(lián)形式在聚合物分子鏈間形成共價(jià)鍵以取代原有范德華力，形成三維交網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以改善其附著性能和耐老化性。除此之外，乙烯基團(tuán)活性適中，還可以與含有雙鍵的乙烯、丙烯酸酯、苯乙烯等聚合物單體化學(xué)鍵結(jié)合，從而可以提高丙烯酸樹脂、不飽和聚酯(UPR)，聚苯乙烯的粘結(jié)性和力學(xué)性能。

②氨基硅烷偶聯(lián)劑

氨基類硅烷偶聯(lián)劑的主要品種以氨丙基三烷氧基硅烷為主，其通用性強(qiáng)，幾乎能與各種聚合物樹脂發(fā)生偶聯(lián)作用。由于游離氨基的存在，此類硅烷偶聯(lián)劑堿性大，具有較高的反應(yīng)活性，且成型材料的撓曲強(qiáng)度隨著氨基的增加也相應(yīng)增加，此類硅烷偶聯(lián)劑的缺點(diǎn)在于使用過(guò)程中容易發(fā)生過(guò)早反應(yīng)而達(dá)不到預(yù)期效果。除此之外，它們對(duì)不飽和聚酯樹脂的固化過(guò)程具有阻聚作用，因此不適用于不飽和聚酯樹脂體系。

③含硫硅烷偶聯(lián)劑

雙-(3-(三乙氧基硅烷)丙基)-四硫化物分子結(jié)構(gòu)

含硫硅烷偶聯(lián)劑目前主要用于輪胎工業(yè)中，其通過(guò)結(jié)構(gòu)中的硫與橡膠結(jié)合，烷氧基與白炭黑表面的硅羥基結(jié)合，能夠改善白炭黑等在有機(jī)物中的團(tuán)聚現(xiàn)象，并形成牢固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以作為硫化劑、潤(rùn)濕劑、補(bǔ)強(qiáng)劑等改善橡膠輪胎的多項(xiàng)物理機(jī)械性能。

④環(huán)氧基硅烷偶聯(lián)劑

傳統(tǒng)硅烷偶聯(lián)劑易與水發(fā)生預(yù)交聯(lián)反應(yīng)的缺陷，限制了其在聚酯材料中的應(yīng)用。而環(huán)氧基可與不飽和聚酯中的羥基反應(yīng)，能夠適用于不飽和聚酯中。除此之外，環(huán)氧基可在受熱或酸、堿催化劑的作用下發(fā)生環(huán)氧開環(huán)反應(yīng)而與含伯氨基、羧基、環(huán)氧基、酸酐等的聚合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，尤其適合應(yīng)用于環(huán)氧樹脂中。值得一提的是，與其它功能性硅烷偶聯(lián)劑相比，環(huán)氧類硅烷偶聯(lián)劑更穩(wěn)定且不易發(fā)黃，能夠在有機(jī)聚合物復(fù)合材料中提供增強(qiáng)、耐候、抗?jié)瘛⒃鋈莸膬?yōu)異性能。

⑤甲基丙烯酰氧基類

Y-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷（來(lái)源：960化工網(wǎng)）

這類硅烷偶聯(lián)劑同時(shí)具有聚合反應(yīng)和共聚反應(yīng)的雙重特性，它既可用于樹脂復(fù)合材料，還可用于有機(jī)硅或者有機(jī)聚合物材料化學(xué)的結(jié)構(gòu)改性。由于此類硅烷偶聯(lián)劑在加熱或光照的條件下易產(chǎn)生自由基引發(fā)聚合反應(yīng)，在光固化有機(jī)硅涂料、清漆或膠黏劑中常作為光引發(fā)聚合交聯(lián)的基團(tuán)使用。

參考文章：

1、矽站Silstation.《不同官能基的硅烷偶聯(lián)劑用途》；

2、活性高白超細(xì)氫氧化鋁阻燃劑.《科普 || 硅烷偶聯(lián)劑的分類與應(yīng)用》；

3、添藝新材.《硅烷偶聯(lián)劑作用機(jī)理與應(yīng)用》；

4、硅碳創(chuàng)新匯.《選用硅烷偶聯(lián)劑的一般原則》

5、新化原化學(xué)NCMC.《化學(xué)中的“橋梁”----硅烷偶聯(lián)劑》

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