硅烷偶联剂及其应用技术ppt课件

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二、硅烷偶联剂的分类
SCA最早是由美国联合碳化合物公司(UCC)为发展玻璃纤维增强塑 料而开发的，主要用于以硅酸盐、二氧化硅为填料的塑料和橡胶的加工及 其性能改进。1947年，K.W.ralph 等发现用烯丙基二乙氧基硅烷偶联剂处 理玻璃纤维制成的聚酯复合材料可以得到双倍的强度，开创了SCA实际应 用的历史。从20世纪50年代至60年代相继出现了氨基和改性氨基SCA，随 后又开发了耐热氨基SCA、阳离子SCA、重氮和叠氮SCA以及α-官能团SCA 等一系列新型SCA。SCA独特的性能以及显著的改性效果使其应用领域不断 扩大，产量大幅度上升。
根据聚合物的不同性质, Q 应与聚合物分子有较强的亲和力或反应能力, 如甲基、乙烯基、氨基、环氧基、巯基、丙烯酰氧丙基等。典型的 X 基团有烷氧 基、芳氧基、酰基、氯基等，但最常用的则是甲氧基和乙氧基。
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在SCA的水解过程中同时存在水解和缩合2个反应，这2个反应处于 竞争状态，为了保证体系中硅醇的含量尽可能大，应控制缩合反应的发生。
调整水溶液pH值在2-4之间，视不同的SCA而异。 加入适量的甲醇或乙醇有利于水溶液稳定。 加入弱酸性阴离子(如醋酸)有机硅表面活性剂有利于SCA分离和水解，有
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SCA的水解反应为离解的化学平衡体系，其水解平衡反应式如下：
酸和碱是以上反应的催化剂，在中性介质中，SCA水解速率较慢。 一般来说，酸催化水解比较容易实现。
SCA中有机基团的种类和硅酸酯基团的种类和数目越多，其SCA的水 解稳定性越大，即生成的硅醇也就越稳定。因此，提高SCA的稳定性对分散 纳米粒子具有重要意义。
硅烷偶联剂及其应用技术
2016.1.19
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主要内容
一、硅烷偶联剂的结构特点 二、硅烷偶联剂的分类 三、硅烷偶联剂的使用方法 四、硅烷偶联剂的选取原则 五、硅烷偶联剂在聚合物基复合材料中的应用 六、硅烷偶联剂应用于聚合物基复合材料中的原理
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基本介绍
偶联剂是一种重要的、应用领域日渐广泛的处理剂，主要用作聚 合物基复合材料的助剂。偶联剂分子结构的最大特点是分子中含有化学性 质不同的两个基团, 一个是亲无机物的基团，易与无机物表面起化学反应； 另一个是亲有机物的基团，能与合成树脂或其它聚合物发生化学反应或生 成氢键。因此，偶联剂被称作“分子桥”，用以改善无机物与有机物之间 的界面作用, 从而大大提高复合材料的性能。例如，偶联剂用于橡胶工业 中，可提高轮胎、胶板、胶管、胶鞋等产品的耐磨性和耐老化性能，并且 能减小天然橡胶的用量，从而降低成本。
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浑浊程度观测法 在装有SCA溶液的烧杯下面放入一张印有清晰字体的纸片，随着
SCA水解时间延长，隔一段时间定期观察一次，当不能读出纸片上的字体 时，此时表明SCA水解溶液变浑浊，记录此时的水解时间。 红外光谱检测法
傅立叶变换红外光谱仪测试水解前后特征集团的变化，并验证 SCA的水解程度。采用涂膜烘干制样法(红外灯在60-80℃烘10min使水分和 产生的醇挥发)作红外分析。
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由此可看出，SCA水解生成硅醇是与纳米粒子表面发生作用的前提， 而SCA的水解程度又直接影响硅醇与纳米粒子表面的作用效果，因为只有硅 醇单体才能对纳米粒子形成稳定结构。此外，在水解过程中往往伴随着浑浊 现象的发生，这意味着体系中SCA完全缩合成硅氧烷高聚体，此时SCA失去了 分散纳米SiO2的能力。因此，研究SCA的水解机理和分散机理具有重要意义。
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SCA水解生成的硅醇极性较强，容易形成氢键以及脱水缩合生成硅 氧烷或聚硅氧烷。
SCA羟基之间的缩合反应并非两个简单化合物之间的反应，而是 代表各种中间产物的硅羟基之间的缩合。而硅羟基间的缩合反应使硅醇的 数目减少，使硅醇和纳米粒子的作用相应减弱，不利于纳米粒子的分散。 因此，在使用SCA分散纳米粒子的过程中，应尽量降低产生缩合反应的机会。
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偶联剂种类繁多，主要有SCA偶联剂(SCA)、钛酸酯偶联剂、铝酸酯 偶联剂、双金属偶联剂、磷酸酯偶联剂、硼酸酯偶联剂、铬络合物及其他高 级脂肪酸、醇、酯的偶联剂等，目前应用范围最广的是SCA和钛酸酯偶剂。
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一、硅烷偶联剂的结构特点
SCA的通式为 Q-R’-Si-(R)n-X(3-n)，其化合物中都含有硅官能团(X)和有 机官能团(碳官能团Q)，这两类官能团都是可进行化学反应的活性基团。X为可水解 基团，遇水溶液、空气中的水分或无机物表面吸附的水分均可引起分解，与无机物 表面有较好的反应性；Q为非水解、可与聚合物结合的有机官能团。 此外，还有将 硅官能团和碳官能团键合在一起的具有惰性的连接基团R’，以及硅-碳键合的惰性 烃基R。不同SCA的硅官能团可进行的化学反应基本类似，而碳官能团所能进行的化 学反应则不同，各具特色。
利于水溶液稳定。多官能团羧酸通常比单官能团羧酸好，含磷酸酯官能 团的有机硅羧酸盐是优良的稳定剂。 控制水溶液浓度也是必要的。
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电导率测定法
SCA水解程度的检测
电导率测定法设备简单、操作方便。因SCA与去离子水的电导率很 低，而水解产物硅醇和醇的电导率较高，即使溶剂中采用了醇，因其在反 应前后量不变而对体系在水解过程中电导率会逐渐增大，一定时间后反应 达到平衡，相应电导率值也稳定在某一值，这表明水解已达平衡，测试硅 醇含量为该水解条件下的最大值。