讓無機填料與聚合物基體更親密的秘訣~

在工業(yè)上廣泛可見這樣的應(yīng)用場景，將無機粉體材料添加/填充到有機材料基體中，或起到降低成本，或起到增強有機材料原有“體質(zhì)”的作用，或起到賦予有機材料新的技能的用途......

填料應(yīng)用場景舉例

如氧化鋁、氮化硼可作為塑料填料，使塑料具有良好的導(dǎo)熱性能而且同時具有電絕緣性能；滑石粉可作為塑料填料，提高塑料制品的電絕緣性、抗酸性耐火性等；云母可作為塑料增強填料，提高塑料制品的彎曲彈性模量和拉伸彈性模量；高嶺土具有優(yōu)良的電絕緣性能和一定的阻燃作用，可作為聚氯乙烯等聚烯烴絕緣電線包皮；石英對熱塑性樹脂和熱固性樹脂具有較高的補強作用，并且能提高材料的強度與剛度，對提高塑料制品的電絕緣性也能起一定的作用；金紅石型二氧化鈦作為塑料填料可增大光的反射率，起到光屏蔽劑的作用；赤泥、粉煤灰均為塑料填料，既可消除污染，又可降低塑料制品成本......

填料的應(yīng)用，讓電線電纜更安全可靠

相容性不好后果很嚴重

然而，無機粉體材料一般是極性或強極性的親水礦物，與具有非極性的疏水的的表面的有機聚合物基體相容性差，如果直接將兩者混合那么在后續(xù)成型加工過程中，由于基體的冷卻收縮率大于無機填料，基體與填料的界面容易發(fā)生脫離，形成環(huán)隙或縫隙。其結(jié)果是，無機填料不僅沒有補強效果，反而由于材料的內(nèi)部行成微孔而使其力學(xué)性能下降。對填料采取適當?shù)谋砻嫣幚恚梢栽鰪娞盍吓c基材的界面強度，發(fā)揮出復(fù)合材料的最大優(yōu)勢。可用于填料表面處理劑有很多種，例如偶聯(lián)劑、高分子表面活性劑、有機高分子等，本文將大家簡單介紹在填充體系中使用量最多的“偶聯(lián)劑”。

常見的偶聯(lián)劑類型

什么是偶聯(lián)劑？偶聯(lián)劑是一類具有兩性結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，它的分子中的一部分基團可與無機材料表面的化學(xué)基團反應(yīng)，形成化學(xué)鍵合；另一分部基團則有親有機物的性質(zhì)，可與有機分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或產(chǎn)生較強的分子間作用，從而可將兩種性質(zhì)截然不同的材料牢固地結(jié)合起來。由于大多數(shù)偶聯(lián)劑對填料表面處理時都能發(fā)生化學(xué)作用，因此效果都非常好，可有效改善無機填料在聚合物基體中的分散狀態(tài)，提高填充聚合物材料的力學(xué)性能和使用性能。

偶聯(lián)劑按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為：硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑、鋯酸脂偶聯(lián)劑、雙金屬偶聯(lián)劑（鋁-鋯酸脂、鋁鈦復(fù)合偶聯(lián)劑）、稀土偶聯(lián)劑、含磷偶聯(lián)劑、含硼偶聯(lián)劑等。其中硅烷偶聯(lián)劑是人們研究最早、應(yīng)用最早的偶聯(lián)劑，鈦酸酯偶聯(lián)劑最早出現(xiàn)與20世紀70年底，它對許多干燥粉體有良好的偶聯(lián)效果。下文將對生產(chǎn)中經(jīng)常使用的偶聯(lián)劑及其應(yīng)用情況進行簡單介紹。

1、硅烷偶聯(lián)劑

硅烷偶聯(lián)劑之所以這樣稱呼，是因為其中心原子是硅（Si），其分子結(jié)構(gòu)為：R-Si-X3，式中R為疏水基，如乙烯基、環(huán)氧基、氨基、甲基丙烯酸酯、硫酸基等；X是能水解的親無機集團，如烷氧基，甲氧基，乙氧基及氯等。其添加量一般為填料的1%左右。

填料。硅烷偶聯(lián)劑可用于許多無機填料，其中在含硅酸成分多的玻璃纖維；石英粉劑擺攤黑種效果最好，在陶土和水合氧化鋁中次之，對不含游離水的碳酸鈣中效果欠佳。

基體。硅烷偶聯(lián)劑的有機基對聚合物的反應(yīng)有選擇性，例如氨基可與環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、尼龍、乙烯基聚合物或一些熱固性彈性體反應(yīng)，但多數(shù)硅烷偶聯(lián)劑由于結(jié)構(gòu)中的反應(yīng)性集團多，與填料表面的反應(yīng)點多，而另一端的有機疏水基含碳原子數(shù)少，鏈短，因此在熱塑性塑料為基體樹脂的填充塑料中，采用硅烷偶聯(lián)劑往往對填充體系的加工流動性能帶來不利的影響，加之硅烷偶聯(lián)劑與其他中偶聯(lián)劑相比要昂貴的多，因此硅烷偶聯(lián)劑在聚乙烯中用量不多，而其主要應(yīng)用于環(huán)氧或不飽和聚酯等熱固性塑料中。

2、鈦酸酯偶聯(lián)劑

根據(jù)鈦酸酯偶聯(lián)劑結(jié)構(gòu)的不同，可大致將其可分為四類：單烷氧基型、單烷氧基焦磷酸酯型、整合型和配位體型。鈦酸酯的用量通常為填料用量的0.5%。

基體。鈦酸酯偶聯(lián)劑適用范圍廣，在熱塑性塑料、熱固性塑料及橡膠等填料體系中都具有較好的偶聯(lián)效果。

填料。鈦酸酯偶聯(lián)劑可以用來處理各種無機填料，如碳酸鈣、滑石粉、硫酸鋇及氫氧化鋁等。

3、鋁酸脂偶聯(lián)劑

鋁酸酯偶聯(lián)劑具有色淺、無毒、適用方便等特點，熱穩(wěn)定優(yōu)于鈦酸酯偶聯(lián)劑，價格僅為鈦酸酯偶聯(lián)劑的一半。鋁酸酯偶聯(lián)劑與鈦酸酯偶聯(lián)劑一樣，對體系填充量增加有益，可有效降低填充體系的粘度，改善樹脂的加工性能。

鋁酸脂偶聯(lián)劑的用量一般為填充體系中所用填料質(zhì)量的0.3~1.0%，對于注射或擠出聚乙烯硬制品，用量為填料的1.0%左右。其他工藝制品、軟制品及發(fā)泡制品，用填料量的0.3-0.5%。使用高比表面的填料，如氫氧化鋁、氫氧化鎂、白炭黑等可用1.0%--1.3%。

4、其他偶聯(lián)劑

鋯類偶聯(lián)劑。這類偶聯(lián)劑不僅可以促進無機物和有機物的結(jié)合，還能改善填料體系的的性能，它的特點是能顯著降低填料體系的粘度，抑制填料粒子間的相互作用，從而提高填料在體系中的分散性和增加填充量。它對碳酸鈣、二氧化硅、氧化鋁、氧化鈦及陶土等填充體系有良好的改性效果，主要應(yīng)用于聚烯烴、聚酯、環(huán)氧樹脂，合成橡膠等不同的聚合物填充體系。

有機鉻類偶聯(lián)劑。這是一類比較比較成熟的偶聯(lián)劑品種，它是不飽和有機酸與三價鉻原子形成的配價型金屬絡(luò)合物，在玻璃纖維增強塑料中，具有較好的使用效果。有機鉻偶聯(lián)劑使用成本低，但品種單調(diào)，使用范圍和偶聯(lián)效果不及硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸酯偶聯(lián)劑，更重要的重鉻離子（生物毒性顯著的重元素）毒性會帶來環(huán)境污染，因此用量在減少。

5、復(fù)合偶聯(lián)劑

鋁鈦復(fù)合偶聯(lián)劑。以鋁代替了部分作為偶聯(lián)劑的中心原子，減少了偶聯(lián)劑價格較高的鈦的含量，是成本得以降低。它兼有鈦系、鋁系偶聯(lián)劑的特點，偶連效果優(yōu)于單一的鈦酸酯、鋁酸酯以及兩者簡單的混合物。

鋁鋯酸酯偶聯(lián)劑。這類偶聯(lián)劑是含鋁、鋯元素的有機絡(luò)合物的低聚物，鋁鋯酸脂類偶聯(lián)劑具有價格低（約為硅烷偶聯(lián)劑的一半），應(yīng)用效果好（具有良好的水解穩(wěn)定性），熱穩(wěn)定好的特點（可耐熱到300℃）。

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