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  • 偶联剂(Coupling Agent)是一种用于高分子聚合物(塑料、橡胶、热固性树脂)制品中的功能性添加剂,它通常可以在两种不同的材料界面发挥一种类似于“分子桥”的作用,偶合、联接两种不同表面特性的材料或物质(主要是有机聚合物和无机物)。

    硅烷偶联剂(Silane Coupling Agent)是一种以硅为中心原子的偶联剂,又因其具有多种功能而被称为有机功能硅烷(Organofunctional Silane),它是最主要的一种偶联剂产品。硅烷偶联剂从化学分类上看它是一?#20013;?#20998;子的有机硅化合物,这与硅树脂、硅橡胶和硅油等有机硅的聚合物(硅酮)有着明显的区别,但它也具有有机硅材?#31995;?#19968;些共同特性(如制品的耐热性较好、表面能?#31995;?#31561;)。

    硅为4价元素,硅烷偶联剂通常是以硅为中心原子,在其上连接有1个有机?#20174;?#22522;团Y和3个无机?#20174;?#22522;团R。因此,硅烷偶联剂的基本化学结构可以表示为:Y-Si-R3,其中的有机?#20174;?#22522;团Y可以是氨基、环氧基、丙烯酰氧基、乙烯基、脲基、巯基、硫基、异氰酸酯基、烷基、?#20132;?#31561;官能团,这些有机官能团可以与相匹配的热固性树脂进行相应的化学?#20174;?#36827;而形成牢固的化学键,或通过氢键吸附、范德华力、网络互穿结构等物理作用而与热塑性树脂形成物理键合;无机?#20174;?#22522;团R通常就是烷氧基(甲氧基、乙氧基等),它在有微量水存在的情况?#24405;?#21487;发生水解作用而生成硅羟基-OH,硅羟基-OH可再与无机物材料表面存在的羟基-OH发生缩合,从而与无机物材料表面形成牢固的化学键合。硅烷偶联剂就是通过上述基理和双向?#20174;Γ?#33021;够在无机材料和高分子聚合物(特别是热固性树脂)之间形成牢固的结合,从而显著改善树脂基复合材?#31995;?#21147;学性能、电气性能、耐水性等。

    硅烷偶联剂最主要的应用就是用于提高树脂涂层对底材(特别是玻璃、陶瓷、金属等)的附着力和无机矿物粉体或?#23435;?#19982;所填充、增强的树脂的结合力。硅烷偶联剂的用途已从最初的玻璃钢扩展到树脂涂层和树脂基复合材?#31995;?#26041;方面面,其典型应用领域包括玻璃?#23435;?#36718;胎、橡胶、塑料、油漆、涂料、油墨、胶粘剂、密封胶、玻璃钢、磨料磨具、树脂砂铸造、磨具磨具、摩擦材料、人造石、印染助剂等。

    硅烷偶联剂通常是以三氯氢硅(HSiCl3)为合成基础原料,通过硅氢加成?#20174;?#24341;进有机官能团Y(如与氯丙烯加成?#20174;?#21046;成3-氯丙基三氯硅烷,或与乙炔加成?#20174;?#21046;成乙烯基三氯硅烷,或与烯丙基缩水甘油醚进行加成?#20174;?#21046;成3-缩水甘油醚氧基丙基三氯硅烷等),再通过醇解?#20174;?#21046;?#19978;?#24212;的烷氧基硅烷(用甲?#21363;?#35299;,就制成三甲氧基硅烷;用乙?#21363;?#35299;,就制成三乙氧基硅烷等)。这是常用的合成路线,工艺稳定、成熟。近些年来,也出现了以硅粉和醇?#33519;臃从?#21512;成三烷氧基硅烷,再分别以三甲氧基硅烷或三乙氧基硅烷为原料,再通过硅氢加成?#20174;?#21046;成硅烷偶联剂的新工艺,称为“一步法”工艺。

    硅烷偶联剂的发展历史可追溯到上世纪40 年代,1947年美国约?#19981;?#26222;金斯大学的Ralph K.Witt?#28909;?#36890;过研究发现烯丙基三甲氧基硅烷处理对玻璃?#23435;?不饱和聚酯复合材料具有极好的增强效果,从而开创了硅烷偶联剂实际应用的历史。随后,美国联合碳化物公司(Union Carbide)和道?#30340;?#20844;司(Dow Corning)率先实现了工业化生产,硅烷偶联剂逐渐进入到工业化应用阶段。

    我国1950年?#38156;?#38498;化学所研制成KH-550、KH-560、KH-570、KH-590 等γ 型硅烷偶联剂;1954 年,南京大学周庆立教授?#28909;?#21512;成了一系列的α型官能团硅烷偶联剂,从而共同奠定了中国硅烷偶联剂工业发展的基础。经过近60年的发展,伴随我国石化、有机硅等相关行业的发展,硅烷偶联剂行业已经发展成为一个较为成熟的行业,合成工艺成熟稳定、不断优化,原料供给充足,产品应用领域广阔。国产硅烷偶联剂不仅在国内?#21058;?#32477;大部分的市场份额,而?#20197;?#22269;际上具有较强竞争力,批量出口,中国已成为除欧美日以外最主要的硅烷偶联剂生产国?#32479;?#21475;国。

    随着一系列新型硅烷偶联剂的问世,特别是它们独特的性能与显著的改性效果使其应用领域不断扩大。硅烷偶联剂是继有机硅工业中三大产品——硅油、硅橡胶、硅树脂之后的第四大类,在有机硅工业中的地位日趋重要,已成为现代有机硅工业、有机高分子工业和复合材料工业及相关高技术领域中不可缺少的配套化学助剂。

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    有机功能硅烷,习惯上也称之为硅烷偶联剂,它 是同一分子中同时含有无机和有机?#20174;?#27963;性基团的小分 子有机硅化合物,其基本结构如图示: 

    图一

    图中的OR是指可水解基团——烷氧基,如甲氧基、乙氧基、异丙氧基等,烷氧基的分子量越大,其水解速度就越慢,水解稳定性?#33014;謾?#21516;时,也有一些所谓的二官能团硅烷的,即有两个烷氧基和一个无?#20174;?#27963;性烷基(通常为甲氧),这种结构会减少一个可交联点,制品的硬度会略有降低,而硅烷本身的水解稳定性会稍好一些。烷氧基能与添加的或无机物表面残留的水分?#20174;Γ?#36827;而水解形成具有无机?#20174;?#27963;性的硅羟基,同时释放出水解?#20174;?#30340;副产物——甲醇(甲氧基)、乙醇(乙氧基)、异丙醇(异丙氧基)等。然后这些硅羟基再和无机材料表面的羟基在烘烤或干燥的条件下发生缩合?#20174;Γ?#33073;去一个水分子,进而形成牢固的Si-O-Si化学键,从而实现对无机材?#31995;?#32467;合和连接。

    图中的Y是指有机官能基团,如氨基、甲基丙烯酰氧基、环氧基、乙烯基、巯基、烷基等。不同的有机官能团具有不同的?#20174;?#27963;性,适用于不同的有机聚合物,它能与热固性树脂进行化学?#20174;?#24418;成牢固的化学键或通过物理缠绕、氢键吸附、互穿网络体系等与热塑性树脂形成稳定的物理结合或共价键。

    图二

    CapatueTM有机功能硅烷就是通过上述两类不同?#20174;?#24615;的基团在无机材料(如玻璃、金属或无机矿物粉体或玻璃?#23435;?#31561;)和有机高分子聚合物(热固性树脂、塑料、橡胶弹性体)的界面起作用,结合、偶联无机和有机聚合物这两种表面性质截然不同的材料,提高两者?#21335;?#23481;性和结合力,从而极大地提高各类树脂基复合材?#31995;?#24178;、湿态机械强度和电气性能。

     

     图三

     图四

    未添加CapatueTM有机功能硅烷的树脂-填料两相分离,界面清晰。

    添加了CapatueTM有机功能硅烷树脂-填料两相结合紧密,界面模糊。

    同时,CapatueTM有机功能硅烷的Y官能团若先行接枝到聚合物的分子链上,然后它的OR烷氧基水解后形成的硅羟基相互之间再进行缩聚?#20174;Γ?#36825;就使CapatueTM有机功能硅烷也能作为交联剂使用。如在SPUR聚氨酯密封胶和PEX-B硅烷交联聚乙烯的应用中,有机功能硅烷的引入能赋予聚合物以湿汽固化的特性和优异的力学性能和电气化学性能。

    有机?#20174;?#22522;团Y和Si硅中心原子之间的连接基团若是亚丙基即-(CH23-,则称之为γ硅烷,它是市场上最主要的硅烷种类;也有一些连接基团是亚甲基即-(CH2)-的,它们被称之为α硅烷。α硅烷的Y官能团距离Si硅中心原子更近,若α位连接有氧、氮等负电子供体,则Si硅中心原子另一侧所连接的烷氧基受其亲核作用而?#20174;?#27963;性更高。所以α硅烷的水解?#20174;?#27963;性比γ硅烷的更高,能提供更快的固化?#20174;?#36895;度。

  • 有机功能性硅烷受益于双重?#20174;?#27963;性和多样化的Y有机?#20174;?#22522;?#20598;?#28919;氧基OR,具有广泛的应用领域,可谓“多才多艺”,在不同应用中具有不同的功效:

    偶联剂——它通过 “分子桥”的作用将高分子聚合物(热固性树脂、橡胶弹性体和塑料)与无机材料(矿物粉体填料、玻璃?#23435;?#31561;)偶联、结合起来,提高两者?#21335;?#23481;性和结合力,从而提高树脂复合材?#31995;?#21147;学强度和电气性能。

    附着力促进剂——通过与树脂涂层与底材的双重?#20174;Γ?#22312;两者的界面进行结合,阻止水分子沿界面的迁移和渗透,防止电化学腐蚀的发生。从而提高树脂涂层对基材的附着力、耐水性和耐水煮性,这在油漆、涂料、油墨、胶粘剂、密封胶等行业有着广泛的应用。

    表面处理剂和分散剂——通过有机功能硅烷的表面处理,在无机矿物粉体、?#23435;?#21450;晶须和颜料表面包覆一层有机功能硅烷,使具有其亲有机性和有机?#20174;?#27963;性,提高其在高分子聚合物中分散性、润湿性和相容性,改善所填充聚合物的加工流变性,提高填料填充和玻纤增强的塑料、橡胶和树脂制品的力学性能。

    憎水剂(疏水剂、防水剂、建筑保护剂)——烷基硅烷(如辛基硅烷SCA-K08E)所带有疏水性烷基官能团可赋予材料优异的疏水特征,在材料表面及内部形成一层致密的憎水层,形成“荷叶效应”,?#31181;?#27700;分渗透,有效地防止渗水、日照、酸雨和海水对材?#31995;那质矗?#24310;长混凝土、港口、码头和建筑物的使用寿命。

    交联剂(固化剂)——有机功能硅烷的有机?#20174;?#22522;团Y可以通过接枝、共聚等方法连接到聚合物分子链上,然后它的三烷氧基在水解后可以彼此间缩合从而交联聚合物,形成稳定的三维体形结构,从而提升树脂的物理化学性能。

    金属表面处理剂——使用有机功能硅烷的溶液对金属表面进行处理,硅烷在水解后可在金属表面成膜,这层硅烷膜具有良好的隔绝性和耐蚀性。在此基础上发展而来的硅烷技术可实现涂装工艺无磷、无镍、锰、铬等重金属和无亚硝酸盐致癌物,绿色环保,将引领一场金属表面处理工业的革命。

    聚?#31995;?#20307;和封端剂——如含有不饱和双键的乙烯基硅烷和甲基丙烯酰氧基硅烷可以和丙烯酸单体、苯乙烯单体进行共聚?#20174;?#21046;备硅烷改性的丙烯酸树脂,含有活?#20204;?#30340;硅烷如仲氨基硅烷、巯基硅烷可以对异氰酸酯进行封端改性。通过上述方法,有机功能硅烷可以赋予聚合物以湿汽固化的?#20174;?#29305;性,并提高聚合物对基材的附着力。

    有机功能硅烷在一些成熟行业的典型应用和功效如下表所示:

    玻璃?#23435;?#29627;璃钢  改善玻璃?#23435;?#30340;硬挺度、集束性、浸润性和与聚合物的结合力,提高玻璃钢的干、湿态机械强度和电气性能,延长使用寿命。
    胶粘剂、密封胶和灌封料  提高干、湿态附着力和粘接强度及绝缘性。
    无机填料表面改性  提高填料在热固性和热塑性树脂中的润湿性、加工性和结合力。
    涂料、油漆和油墨  提高附着力、耐化学性、耐腐蚀性、耐老化性、耐?#26009;?#24615;、耐水性和颜填?#31995;?#20998;散性、润湿性。

     

    纺织品  改?#21697;?#32455;品的?#25351;小?#26580;软性、防水性和染?#31995;?#31896;接力。
    树脂砂铸造、油田固井和磨具  提高树脂砂的强度和韧性,减少树脂用量。

     

    热塑性塑料  改善塑料与无机颜填料和阻燃材?#31995;?#32467;合力、相容性,提高强度;也用于硅烷交联树脂的生产,提高塑?#31995;?#32784;高温性和机械强度。
    橡胶和弹性体  改善橡胶制品的强度、硬   度、耐磨性,降低滚动阻力和生热,改善流变性。

     

     

  • 有机功能硅烷使用效果的优劣除?#25628;?#25321;得当外,很大程度上取决于其在无机-有机界面的分散均匀性,分散得?#33014;茫?#20854;使用效果就?#33014;茫?#36798;?#36739;?#21516;效果的添加量就越少;但高分散性往往会导?#24405;?#24037;费用(电力、人工)的增加。在实际的应用中,可根据具体情况,灵活地采用下述方法:

    1、预处理法——对于无机物粉体材料,可利用高速搅拌设备用CapatueTM有机功能硅烷对其进行表面处理。硅烷可?#33519;?#21152;入,也可稀释后再加入,加入方式以喷洒为好。一般搅拌5~30分钟,根据设备条件和搅拌速度而调整。若使用硅烷溶液的,应在104~121℃下烘干以使硅醇完成缩聚,并除去溶剂和硅烷水解时形成的少量的甲醇或乙醇。

    理论上硅烷的用量计算公式如下:

    硅烷用量 = 填?#31995;?#36136;量(克) * 填?#31995;?#27604;表面积(m2/克)/硅烷的最小润湿面积(m2/克)

    其中一些常见的填料大致的比表面积参见下表,具体到?#25345;?#22635;?#31995;?#27604;表面积可查询该填?#31995;?#20135;品说明书:


    填料或?#23435;?/span> 比表面积(m2/克)
    电子级玻璃?#23435;?/span> 0.1~0.12
    石英砂 1~2
    高岭土 7
    粘土 7
    滑石粉 7
    碳酸钙 5
    硅酸钙 2.6
      
        常用硅烷的最小润湿面积如下表所示:
     
    硅烷型号 最小可润湿面积  (m2/克)
    SCA-V71M 515
    SCA-V71E 410
    SCA-K03M 315
    SCA-A10E 353
    SCA-A20T 380
    SCA-A20M 351
    SCA-E87M 330
    SCA-E87F 356
    SCA-E86M 317
    SCA-R74M 314
    SCA-S89M 398
    SCA-C76M 393
    SCA-P61M 321
    SCA-P62M 355

    需要说明的是:上述硅烷的理论用量的计算结果往往与实际使用的用量相差较大,仅作一个参考值。用户需要根据设备条件、成本约束和性能要求等条件进行最优设计,通过多?#38382;?#39564;?#33539;?#26368;符合需求和最?#30740;?#20215;比的改性条件、工艺?#38382;?#21644;硅烷添加量。一般而言,粉体量的0.5%~ 1.5%是一个比较常用的添加量范围,而1%的添加量对于绝大多数的应用都是比较适用的。

        2、打底法——对于面积较大的基材和水解稳定性不好的硅烷品种,可用CapatueTM有机功能硅烷的溶液进行涂、刷、喷或浸渍。配方大?#27695;?#19979;:硅烷1~2%,溶剂(异丙醇或甲氧基异丙醇)85~99%,水0~10%,催化剂(醋酸)0~1.5%。硅烷在搅拌下缓慢加入,加完后再搅拌1~12小时,直至最终的溶液均一透明,呈无色或淡黄色透明状,有些硅烷(如乙烯基硅烷)的溶?#21495;?#21046;后15小时后方能使用。所需处理的基材应事先进行脱脂、喷砂、酸?#30784;?#30897;洗以去除污物和锈迹,处理后的基材室?#38109;?#24178;,最好在120℃下烘烤15分?#21360;?#24453;硅烷在基材表面成膜后,最后再进行树脂的涂、刷施工。

    3、加入树脂法——对于液体树脂,可将CapatueTM有机功能硅烷?#33519;?#21152;入,适度搅拌以确保硅烷分散均匀;对于固体树脂,可将硅烷制成母料,使用时加入树脂中。上述两种方法都能提高CapatueTM有机功能硅烷的分散性,用量约为树脂质量份的0.3%~1%。使用本方法要确保树脂中不含水或含水量极低,并密封良好,并选用水解稳定性好的硅烷品种,以防止硅烷在储存过程中水解自聚而失效。

    4、简单?#19981;?#27861;——该法是?#33519;?#23558;CapatueTM有机功能硅烷在生产时与其它助剂、颜填料一起?#33519;?#21152;入到树脂中,或与其一起?#19981;臁?#27492;种方法的优点是工艺较简单,不增加工续,节省人力成本和辅助设备投入。其缺点是硅烷的分散性可能会不好,要达?#36739;?#21516;的效果硅烷的用量要适度加大。此种方法下,CapatueTM有机功能硅烷的用量约为填料质量份的0.5%~2%,在低填充配方下,可能要按体系总量或树脂量0.2~1%进行添加。

    总则

    1.根据化学?#20174;?#22522;理,硅烷只有在水解的情况下才能发挥其偶联作用,但这并不意味着一定要在体系中加水。材料中吸附和结?#31995;?#27700;及空气中的水汽通常能满足其水解的要求,是否先行将硅烷预水解,取决于具体情况。

    2.水解后的硅烷通常稳定性较差,储存有效期较短,应现配现用,不?#21496;?#23384;。若硅烷溶液出现了明显的粘度升高和凝胶状的悬浮、沉淀,则说明硅烷已大部自聚而失效,此种硅烷溶液已不能再用。

    3.硅烷的溶剂通常为水、醇或其混合物,无需去离子水,但?#24418;?#20351;用含有氟离子的水。醇则以价廉无毒的乙醇和异丙醇为宜,丙酮和四氯化?#23478;?#20110;氨基硅烷?#20174;Γ?#19981;能作为溶剂使用。甲苯和乙醚也是可供选择的溶剂。

    4.水溶液中的硅烷浓度不宜过高,通常为5%以下,否则硅烷水解产物的自聚速度会明显加快,?#23383;氯?#28082;分层,影响使用和储存。

    5.氨基硅烷的水溶液一般呈碱性,可?#33519;?#27700;解而无需添加酸类物?#39318;?#20026;催化剂。但氨基硅烷溶于水会释放大量的溶解热,操作时应加以注意,避免被灼伤。而非氨基硅烷一般需要在PH值3~5的条件下水解,通常采用甲酸(即蚁酸)、乙酸(即醋酸)?#28909;?#37240;来调节PH值。但硅烷的水解一定要伴有充分的搅拌,最长要达到12个小时。

    6.长链硅烷和?#20132;?#30789;烷由于水解稳定性差,不宜制成水溶液使用。而对于难溶于水的硅烷,可加入0.1~0.2%的非离?#26377;?#34920;面活性剂,制成乳液使用。

    有关涉及安全方面的重要提醒:

    1、使用本类产品前请仔细阅读具体产品的化学品安全技术说明书MSDS,以便了解其可能存在的风险,并采取相应的防范措施。

    2、本类产品仅限于一般工业用途,严禁将本类产品?#33519;?#28155;加到食品、药品和饲料里或注射至人体。

    3、有机功能硅烷都会与水?#20174;?#32780;自聚、变质,本类产品都应隔绝空气、密封保存。包装一旦打开,需在使用后立即?#26041;?#26742;盖,确保良好密封、不漏气。若产品出现粘度明显升高、凝胶状悬浮、沉淀、结晶等情况,则说明产品已变质,不能再用。

    4、有机功能硅烷作为有机化合物,都具有一定的可燃性,储存、运输和使用过程中要避免高温、明火和阳光长时间暴晒。加?#30475;?#23384;和使用场所的通风,特别是在夏季要避免其高温形成的蒸汽大量集聚。

    5、甲氧基硅烷遇水后会水解释放出甲醇,而甲醇是一种对人体有害的物质,应加强工作场所的通风,同?#26412;?#23545;不能服入硅烷类产品。

    6、有机功能硅烷可能会对人体的皮肤、眼睛和呼吸系统产生不适感,使用本类产品的工作场所应确保良好的通风,操作人员应穿戴必要防护设备(如护目镜、防护手套、防护口罩等),如有过敏情况和?#29616;?#19981;适应及?#26412;?#21307;。

    7、在用硅烷对无机粉体进行改性和在EPDM橡胶进行混炼等加工过程中,由于加工温度较高,稀释硅烷所用的溶剂、硅烷水解后所释放的少量甲醇、乙醇副产物和配方中的一些低沸点、易挥发有机物都是易燃物质。为防?#22815;?#28798;、爆炸的发生,首先要确保工作场所通风良好,防止易燃气体的聚集;其次对设备全部采用接地措施,减少静电的产生和聚集;最后最有效的预防方法就是对设备内部采用氮气保护,以减少氧气和可燃气体含量,降低风险。

     

     

  • CapatueTM有机功能硅烷的水解速?#28909;?#20915;于可水解官能团OR,而与有机聚合物的?#20174;?#27963;性则取决于有机官能团Y。因此,针对不同的配方体系和不同的使用方法,选择正确、适用的CapatueTM有机功能硅烷至关重要。下表可以帮助您做出正确的选择:

     1

     备注:☆——首选;◇——适用;□——只适用于特种硅烷。

     

    声明:由于聚合物的种类烦多,同一类聚合物?#20174;?#29702;基、使用方法有可能差别较大。所以上表只适用于一般情况,并非绝对的标准。对于具体的、特定的应用领域,用户在正式使用本公司产品前,应先详细了解该产品的性能和适用性,并做必要的试验,以?#33539;?#35813;产品是否适合您的特定用途。本公司只对产品本身的品质负责,而对其适用性不?#26800;?#36131;任。

    选用硅烷偶联剂时除了要考虑它与树脂的?#20174;?#24615;外,还要考虑到无机底材或无机填料与硅烷偶联剂的?#20174;?#24615;。硅烷偶联剂主要适用于表面有羟基的底材或填料,比?#31995;?#22411;的是玻璃、陶瓷、硅微粉、石英石等以二氧化硅或硅酸盐为主的材料;而对于表面没有羟基的一些填料,如碳酸钙、硫酸钡、石墨、碳黑等,硅烷偶联剂就基本没有效果,不推荐使用。

    图一

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