硅烷偶聯劑的應用領域

2022-06-17

1、復合材料：復合材料是指由基體樹脂、增強材料（填料、玻璃纖維）、功能性助劑（偶聯劑、脫模劑、增韌劑）等經過特定設備加工而成的材料，主要有不飽和聚酯復合材料、酚醛模塑料、環氧塑封料、環氧灌封料、環氧澆注料、環氧玻璃纖維布等。其特點為：高強度、高電性能、成型性好等。
  硅烷偶聯劑含有可以和無機填料反應的硅氧烷基團以及和有機樹脂反應的環氧基、氨基、乙烯基基團等。作為復合材料中常用的助劑，它的作用為：改善基體樹脂對填料、玻璃纖維的浸潤性，使得基體樹脂通過化學鍵和填料或玻璃纖維相連接，進而提高復合材料的彎曲強度、沖擊強度、耐水性、電性能等。
  增韌型硅烷偶聯劑是指在硅氧烷基團和有機活性基團之間含有一定分子量的柔性長鏈。由于柔性長鏈的存在，適當降低了復合材料中填料表面層的化學鍵合密度，當復合材料受到外界沖擊時，填料表面包裹的柔性鏈能很好的吸收沖擊能量。這樣就改善了復合材料的沖擊強度，減少了應力開裂。同時由于長鏈硅烷偶聯劑大部分分散在填料的表面層，樹脂層中含量較少，適當的用量情況下對復合材料的熱變形溫度、玻璃化溫度影響不大。
  添加增韌型硅烷偶聯劑的復合材料具有高韌性且內應力較低,而耐熱性卻下降不大。和一般的硅烷偶聯劑相比，長鏈硅烷偶聯劑在改善膠液對填料的浸潤性方面亦有其獨特的優點，尤其對于那些具有很高的表面能的填料如：玻璃纖維、納米二氧化硅等，長鏈硅烷偶聯劑由于具有疏水性的柔性長鏈，極大地降低了填料的表面能，使得膠液中的溶劑、樹脂、助劑等能均勻的滲透到玻璃纖維中或均勻分散到納米填料表面，這就提高了復合材料的沖擊強度、耐熱性等。而經過一般的硅烷偶聯劑處理的玻璃纖維布在涂膠處理時（如覆銅板生產用的環氧-玻璃纖維半固化片），由于毛細現象，總是纖維布表面膠液中的丙酮、二甲基甲酰胺等低分子量的極性溶劑優先在玻璃纖維中擴散，這樣就使得纖維布表面的膠液黏度急劇增大，膠液中的樹脂和固化劑難以迅速向玻璃纖維中滲透，由此得到的復合材料沖擊強度、耐熱性較差。另外亦已證明經過長鏈硅烷偶聯劑處理的玻璃纖維復合材料具有更好的耐離子遷移性。
  由于長鏈的影響,增韌型硅烷偶聯劑和填料或玻璃纖維表面硅醇鍵的反應速度稍慢,所以需適當延長處理填料的時間。
2、有機膠粘劑：硅烷偶聯劑是能同時與極性物質和非極性物質產生一定結合力的化合物，其特點是分子中同時具有極性和非極性部分，可用通式表示為Y(CH2)nSiX3，其中Y表示烷基、苯基以及乙烯基、環氧基、氨基、巰基等有機官能團，常與膠粘劑基體樹脂中的有機官能團發生化學結合；X表示氯基、甲氧基、乙氧基等，這些基團易水解成硅醇而與無機物質(玻璃、硅石、金屬、粘土等)表面的氧化物或羥基反應，生成穩定的硅氧鍵。因此，通過使用硅烷偶聯劑，可在無機物質和有機物質的界面之間架起“分子橋”，把兩種性質完全不同的材料連接在一起，這樣就有效地改善了界面層的膠接強度。在膠粘劑中加入硅烷偶聯劑不僅能提高粘合強度，而且還能改善膠粘劑的耐久性和耐濕熱老化性能。例如聚氨基甲酸酯雖然對許多材料具有較高的粘合力，但其耐久性不太理想，在加入硅烷偶聯劑后其耐久性可得到顯著改善。陳瑞珠等在研究鈦合金粘接件的濕熱耐久性問題時，通過在所用環氧膠粘劑中加入硅烷偶聯劑，使得膠接件在經過濕熱老化后的剪切強度保留率由80%左右提高到97%左右。硅烷偶聯劑甚至可以直接用作膠粘劑，用于硅橡膠、氟橡膠、丁腈橡膠等與金屬的粘接，如膠粘劑CK－1和Chemlock 607(美國)即是硅烷類。為改善有機膠粘劑的某些性能(如耐熱性、自熄性、尺寸穩定性等)，或是為降低有機膠粘劑的成本，經常要在膠粘劑中加入一些無機填料。如果預先用硅烷偶聯劑對填料進行處理，則因為填料表面的極性基團與硅烷偶聯劑發生了反應，從而大大減少了填料與樹脂的結構化作用，不僅使填料對膠粘劑基體樹脂的相容性和分散性大大提高，而且顯著降低了體系的粘度，因而可增大填料用量。然而并不是對所有的填料采用偶聯劑處理都有效，填料種類不同，效果上也有差別，有些甚至毫無效果。對于硅石、玻璃、鋁粉之類表面帶有大量羥基的填料，效果最好，而對于碳酸鈣、石墨、硼等表面不帶羥基的填料，則毫無效果。
3、塑料：填充改性是塑料改性的重要手段之一，剛性和韌性是塑料制品兩個重要性能指標，如何保證塑料制品同時具有良好的剛性和韌性，是長期以來材料科學研究的重要課題之一。
  提高填充改性效果的技術關鍵之一是無機粉體的表面處理技術。目前應用最多的是偶聯劑活化技術。偶聯劑的工業品種眾多，主要有硅烷類、鈦酸酯、鋁酸酯、鋁鈦復合酯、磷酸酯、硼酸酯等偶聯劑。偶聯劑通常都是兩親性物質，其中一些基團與填料表面吸附或與表面的結合水或一OH反應；另一些基團(或長鏈)與高聚物基體纏繞，提高無機填料與基材樹脂的相容性，改善其在基體中的分散性和界面粘結力。但因有機偶聯劑的有機鏈段短，與基體作用小，對材料力學性能的提高有限，滿足不了目前市場上迫切要求提高改善制品性能，進一步降低成本的發展需要。
  人們希望能有一種新型結構的偶聯劑除能保持傳統偶聯劑的雙親結構外，還能以更強的結合力與填料和基礎樹脂鍵合、締合或形成其他形式的物理作用。稀土元素的結構特點恰能滿足這種需求。廣東煒林納公司針對PVC應用體系，利用稀土元素與有機配體合成一種具增韌偶聯、多功能特性的新型改性劑，與無機粉體CaCO3等，通過“核一殼”包裹技術開發出新型表面處理劑。該產品可用作PVC用無機剛性粒子增韌劑，具多功能性，對PVC或PVC／CaC03填充體系具有獨特的致廉增效改性作用，已在工業上應用。