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浅谈什么是硅烷偶联剂?
硅烷偶联剂: 硅烷偶联剂是由硅氯仿(HSiCl3)和带有反应性基团的不饱和烯烃在铂氯酸催化下加 成,再经醇解而得。硅烷偶 联剂实质上是一类具有有机官能团的硅烷,在其分子中同时具有能和无机质材料(如玻璃、硅砂、金属等)化学结合 的反应基团及与有机质材料(合成树脂等)化学结合的反应基团。可用通式Y(CH2)nSiX3表示,此处,n=0~3;X- 可水解的基团;Y一有机官能团,能与树脂起反应。X 通常是氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基等, 这些基团水解时即生成硅醇(Si(OH)3),而与无机物质结合,形成硅氧烷。Y是乙烯基、氨基、环氧基、甲基丙烯酰氧 基、巯基或脲基。这些反应基可与有机物质反应而结合。
因此,通过使用硅烷偶联剂,可在无机物质和有机物质的界面之间架起"分子桥",把两种性质悬殊的材料连接在 一起, 起提高复合材料的性能和增加粘接强度的作用。 硅烷偶联剂的这一特性最早应用于玻璃纤维增强塑料(玻璃 钢)上, 作玻璃纤维的表面处理剂,使玻璃钢的机械性能、电学性能和抗老化性能得到很大的提高,在玻璃钢工业中 的重要性早已得到公认。
目前,硅烷偶联剂的用途已从玻璃纤维增强塑料(FRP)扩大到玻璃纤维增强热塑性塑料(FRTP)用的玻璃纤维 表面处理剂、无机填充物的表面处理剂以及密封剂、 树脂混凝土、水交联性聚乙烯、树脂封装材料、壳型造型、轮 胎、带、涂料、胶粘剂、研磨材料(磨石)及其它的表面处理剂。
在硅烷偶联剂这两类性能互异的基团中,以Y基团最重要、它对制品性能影响很大,起决定偶联剂的性能作用。 只有当Y基团能和对应的树脂起反应, 才能使复合材料的强度提高。一般要求Y基团要与树脂相容并能起偶联反应。 所以,一定的树脂得选择含适当Y基团的硅烷偶联剂。 当Y为无反应性的烷基或芳基时,对极性树脂是不起作用的, 但可用于非极性树脂,如硅橡胶、聚苯乙烯等的胶接中。当Y含反应性官能基,要注意它与所用树脂的反应性及相容 性。当Y含氨基时,是属于催化性的,能在酚醛、脲醛、三聚氰胺甲醛的聚合中作催化剂,也可作为环氧和聚氨酯树 脂的固化剂,这时偶联剂完全参与反应,形成新键。氨基硅烷类的偶联剂是属于通用型的,几乎能与各种树脂起偶联 作用,但聚酯树脂例外。x 基团的种类对偶联效果没有影响。
因此,根据Y基团中反应基的种类,硅烷偶联剂也分别称为乙烯基硅烷、氨基硅烷、环氧基硅烷、巯基硅烷和甲 基丙烯酰氧基硅烷等,这几种有机官能团硅烷是最常用的硅烷偶联剂。
硅烷偶联剂的应用大致可归纳为三个方面:
(一)用于玻璃纤维的表面处理,能改善玻璃纤维和树脂的粘合性能,大大提高玻璃纤维增强复合材料的强度、 电气、抗水、抗气候等性能,即使在湿态时,它对复合材料机械性能的提高,效果也十分显著。
目前,在玻璃纤维中使用硅烷偶联剂已相当普遍,用于这一方面的硅烷偶联剂约占其消耗总量的50%,其中用 得较多的品种是乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷等。
(二)用于无机填料填充塑料。可预先对填料进行表面处理,也可直接加入树脂中。能改善填料在树脂中的分散 性及粘合力,改善工艺性能和提高填充塑料(包括橡胶)的机械、电学和耐气候等性能。
(三)用作密封剂、粘接剂和涂料的增粘剂,能提高它们的粘接强度、耐水、耐气候等性能。 硅烷偶联剂往往可 以解决某些材料长期以来无法粘接的难题。
硅烷偶联剂作为增粘剂的作用原理在于它本身有两种基团;一种基团可以和被粘的骨架材料结合;而另一种基团 则可以与高分子材料或粘接剂结合,从而在粘接界面形成强力较高的化学键,大大改善了粘接强度。硅烷偶联剂的应 用一般有三种方法:一是作为骨架材料的表面处理剂;二是加入到粘接剂中,三是直接加入到高分子材料中。从充分 发挥其效能和降低成本的角度出发,前两种方法较好。
硅烷偶联剂在胶粘剂工业的具体应用有如下几个方面:
①在结构胶粘剂中金属与非金属的胶接,若使用硅烷类增粘剂,就能与金属氧化物缩合,或跟另一个硅烷醇缩 合,从而使硅原子与被胶物表面紧紧接触。如在丁腈酚醛结构胶中加入硅烷作增粘剂,可以显著提高胶接强度。
②在胶接玻璃纤维方面国内外已普遍采用硅烷作处理剂。它能与界面发生化学反应,从而提高胶接强度。例如, 氯丁胶胶接若不用硅烷作处理剂时,胶接剥离强度为1.07公斤/厘米2,若用氨基硅烷作处理剂,则胶接的剥离强度 为8.7公斤/厘米2。
③在橡胶与其他材料的胶接方面,硅烷增粘剂具有特殊的功用。它明显地提高各种橡胶与其它材料的胶接强度。 例如,玻璃与聚氨酯橡胶胶接时,若不用硅烷作处理剂,胶的剥离强度为0.224公斤/厘米2,若加硅烷时,剥离强 度则为7.26公斤/厘米2。
④本来无法用一般粘接剂解决的粘接问题有时可用硅烷偶联剂解决。如铝和聚乙烯、硅橡胶与金属、硅橡胶与 有机玻璃,都可根据化学键理论,选择相应的硅烷偶联剂,得到满意的解决。例如,用乙烯基三过氧化叔丁基硅烷 (Y一4310)可使聚乙烯与铝箔相粘合;用丁二烯基三乙氧基硅烷可使硅橡胶与金属的扯离强度达到21.6~22.4公 斤/厘米2。
一般的粘接剂或树脂配合使用偶联剂后不仅能提高粘合强度,更主要的是增加粘合力的耐水性及耐久性。如聚 氨基甲酸酯和环氧树脂对许多材料虽然具有高的粘合力,但粘合的耐久性及耐水性不太理想;加入硅烷偶联剂后, 这方面的性能可得到显著的改善。
硅烷偶联剂的其它方面应用还包括:
①使固定化酶附着到玻璃基材表面,
②油井钻探中防砂,
③使砖石表面具有憎水性,
④通过防吸湿作用,使荧光灯涂层具有较高的表面电阻;
⑤提高液体色谱柱中有机相对玻璃表面的吸湿性能。
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