硅烷偶联剂水解工艺研究[设计、开题、综述]

BI YE SHE JI

（20 届）

硅烷偶联剂水解工艺研究

所在学院

专业班级化学工程与工艺

学生姓名学号

指导教师职称

完成日期年月

摘要

本文研究了二乙烯三胺基丙基二甲基硅烷和哌嗪基丙基甲基二甲氧基硅烷两种硅烷偶联剂的水解工艺，考察了反应温度和溶剂的配比对水解工艺的影响。二乙烯三胺基丙基二甲基硅烷和哌嗪基丙基甲基二甲氧基硅烷偶联剂的水解最优工艺为：在40℃下配比为1:1:4。

关键词：硅烷偶联剂；乙醇；温度；电导率值

ABSTRACT

In this paper, the hydrolysis process of two kinds of silane coupling agents which is diethyl enetriamine dimethyl amino propyl silane and piperazinyl propyl-methyl dimethoxy silane was studied. And t he factors of the hydrolysis process which are the reaction temperature and solvent proportion were studied. The optimum of . diethyl enetriamine dimethyl amino propyl silane and piperazinyl propyl-methyl dimethoxy silane was: the temperature is 40 ℃ and the ratio is 1:1:4.

Keyword:Silane coupling agent; Ethanol; Temperature; Conductivity value

目录

摘要…………………………………………………………………………………………..I Abstract………………………………………………………………………………………….II

1 绪论 (1)

1.1 选题背景和意义 (1)

1.2 国内外研究进展 (1)

1.2.1硅烷偶联剂的偶合机理 (1)

1.2.2硅烷偶联剂的选择 (2)

1.2.3硅烷偶联剂的水解工艺及影响因素 (3)

1.2.4硅烷偶联剂的检测方法 (4)

1.2.5 硅烷偶联剂的应用及使用方法 (5)

1.3试验方法及方案 (6)

2 试验部分 (7)

2.1 实验试剂和实验仪器 (7)

2.1试剂和仪器 (7)

2.2试验内容 (7)

2.3水解程度检测方法的确定 (7)

3 结果与讨论 (9)

3.1水解温度的影响 (9)

3.2水解配比的影响 (12)

3.3不同偶联剂的影响 (13)

4 结论与展望 (15)

参考文献 (16)

致谢 (17)

1 绪论

1.1 课题的背景和意义

硅烷偶联剂是一种可以把两种不同性质的物质通过化学或物理作用结合起来的一种改善型助剂。最早是20世纪40年代由美国联合碳化合物公司和道康宁公司首先开发的，最初是把它作为玻璃纤维的表面处理剂而应用在玻璃纤维增强塑料中[1]。硅烷偶联剂是一类具有有机官能团的硅烷，在塑料、填充复合材料、环氧封装材料、弹性体、涂料、粘合剂和密封剂等方面有着广泛的应用。使用硅烷偶联剂可以大大的改进上述材料的机械性能、电气性能、耐水性、难燃性、粘接性以及工艺操作等。迄今为止，硅烷偶联剂已经成为材料工业必不可少的助剂之一，是有机硅工业四大下游分支之一。

硅烷偶联剂水解的程度直接影响硅醇与材料的作用结果，因为只有硅醇单体才能与材料形成稳定的结构，有资料证明：新配置的乙烯基三甲氧基硅烷水溶液中含有82%的单体，15%的二聚体和3%的三聚体，放置至出现沉淀，结果单体为34%，二聚体为23%，三聚体为30%以及13%的四聚体。由此可知，随着硅醇缩聚成低聚合度的硅氧烷，含硅烷三醇的水解产物的溶解度降低。出现浑浊意味着体系中硅烷完全缩合成硅氧烷高聚体，此时硅烷偶联剂失去了其应有的功能。因此，有必要了解硅烷偶联剂的水解机理[2]。

1.2国内外研究进展

1.2.1硅烷偶联剂的偶合机理

硅烷偶联剂能显著的提高复合材料的性能。但迄今为止，没有一种理论能解释全部的事实。常用的理论有机化学键理论、表面浸润、变性理论、拘束；理论等。

化学键理论认为硅烷含有的两种不同化学官能团，一端能与无机材料表面的羟基反应生成共价键；另一端能与数值生成共价键，从而使两种性质差别很大的材料偶联起来，起到提高复合材料性能的作用。B.Arkles[3]对硅烷的作用过程提出了四步反应模型，该模型属于单分子层键合机理模型，即(1)与硅相连的3个Si-X基水解成Si-OH；(2)Si-OH之间脱水缩合成含Si-OH的低聚硅氧烷；(3)低聚物中的Si-OH与基材表面形成共价键连接。一般认为，在界面上SCA的硅羟基与基材表面只有一个键合，剩下两个Si-OH,或者与其他SCA中的Si-OH缩合，或者游离状态。其反应过程如图1-1，

图1-1 硅烷偶联剂化学键合理论模型

硅烷偶联剂的一般结构式为Y-R-SiX3，其中X是结合在硅原子上水解性基团，如氨基甲氧基、乙酰氧基等，这些基团水解生成硅醇，而与无机物质结合形成硅氧烷；Y为有机官能团，如环氧基氨

基等；R为非水解，可与高分子聚合物结合的有机官能团。Y应与集合物具有较强的亲和力或反应能力，如烯基、氨基、环氧基等。所以它发布在无机物与有机物界面上时，在相互没有亲和力而难以相溶的界面之间起着“乳化剂”的作用[4-7]。由于界面现象非常复杂，因此单一的理论往往难以充分说明，对于硅烷偶联剂在假面的作用机理就有多种解释。由于硅烷偶联剂在分子中具有两亲性质的化学集团，所以既能与无机物中的羟基反应，又能与有机物中的长分子链相互作用起到偶联的功效，其作用机理大致可分为三步：（1）X基水解为羟基；（2）羟基与无机物表面存在的羟基生成氢键或脱水生成醚键；（3）Y基与有机物相结合。当Y基团不同时，偶联剂所适合的聚合物种类也不同，Y基团；对有机聚合物具有反应选择性。

1.2.2 硅烷偶联剂的选择

(1)硅烷偶联剂的结构对其选择的影响

硅烷偶联剂中硅氧键的数目决定了与基材结合的机会，形成的网状覆盖膜的致密程度和对基材的防腐效果。因此，硅烷对基材的粘结能力随分子中的可水解基团X的变化而变化。不同的X基团对偶联效果没有影响，但对水解性能有影响，从而影响硅烷水解液的稳定性及对基材的处理效果;若X基团为卤素的硅烷，水解能产生对有腐蚀性的酸，如，HCl，HBr等，因而不适合采用；若X基团为酰氧基硅烷，则水解能产生起催化作用的弱酸，如：HAc，水解速度加快，使其稳定降低，不便使用；若X基团为烷氧基的硅烷其水解产生的醇为中性，比较稳定，可以采用。烷氧基硅烷偶联剂中，Si-OR（R为烷基）键的水解活性，随着烷基中碳原子数的增加二下降[8-9]。

硅烷偶联剂中的Y基团的选择与所有的涂料的类型有关，应根据待用涂料的性质来选择相应硅烷。且硅烷与有机聚合物作用的同时，聚合物本身也在进行化学反应。如果硅烷与聚合物的反应速度过慢或聚合物自身的反应速度太快，即只有少量的硅烷参与聚合物的反应，就会影响偶联效果[6]。一般情况下，硅烷偶联剂中活性基团的活性越大，与聚合物的反应机会越多偶联效果也越好。

硅烷偶联剂的选择还要考虑对硅烷溶液稳定性产生影响的因素，Si上的羟基越多，硅醇的稳定性越低。在R确定后，硅醇的稳定顺序如下：R3Si(OH)＞R2Si(OH)2＞RSi(OH)3[8]。在有机硅化学[10]中，取代基的位置对有机硅化合物的稳定性会产生不同程度的影响。

1.2.3硅烷偶联剂的水解工艺及影响因素

硅烷偶联剂的反应时逐级解离的化学平衡体系，其化学方程式如下：

酸与碱是上诉反应的催化剂。如果在中性介质中，则硅烷偶联剂的水解速率比较慢。一般情况下，酸催化剂比较容易实现。

(1)硅烷偶联剂水解PH值对其水解规律分析