硅烷偶联剂及其应用技术

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。
R R R O OH Si O H HH O O Si O HH O Si O H O O H H O H H H OH R Si O R Si O R R R O R Si OH O O H H OH R Si O R Si O R Si OH O H O O O H O Si OH O R R O H O O Si OH Si R O Si O O H O O Si O H OH Si O Si O O H Si R R R OH OH Si O OH O O O H H O H H O H H O Si Si R O R O HH O O HH O O R H O Si OH O H O H O OH Si O Si O Si OH R R R OH
SCA水解程度的检测
电导率测定法
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。
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。
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
HO HO
H2O
OH
OH OH
HO
R Si OH O
R Si OH O
R Si OH OH
SiC
HO HO HO
SiC
OH OH
SiC
O
OH
OH
nH2O
OH
SiC
O
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。
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
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。
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，
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。
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。
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。
硅烷偶联剂及其应用技术
2016.1.19
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
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
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。
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。