功能性耐高溫硅烷偶聯(lián)劑

功能性硅烷與硅橡膠、硅油及硅樹脂并稱為有機(jī)硅材料四大門類；從結(jié)構(gòu)上來說，通常將主鏈為-Si-O-C-結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅小分子統(tǒng)稱為功能性硅烷，而將主鏈為-Si-O-Si-結(jié)構(gòu)的小分子中間體和聚合物大分子一般稱之為硅氧烷，即硅橡膠、硅油及硅樹脂產(chǎn)品；降低成本：使用硅烷化工藝能省去磷化加溫設(shè)備、除渣槽、板框壓濾機(jī)及磷化污水處理等設(shè)備，且硅烷化較磷化減少了20％～50％的配槽用量。從功能上來看，功能性硅烷多為雜交結(jié)構(gòu)，多數(shù)產(chǎn)品在同一個(gè)分子中同時(shí)含極性與非極性兩類官能團(tuán)，可以作為無機(jī)材料和有機(jī)材料的界面橋梁或者直接參與有機(jī)聚合材料的交聯(lián)反應(yīng)，從而大幅提高材料性能。

功能性硅烷有下列不同分類方法：按活性有機(jī)基團(tuán)與Si的相對(duì)取代位置可分為γ-取代和α-取代兩種類型；按可水解基團(tuán)官能度分為三官能和雙官能兩種，其中三官能占市場(chǎng)絕大部分；一般認(rèn)為，界面上硅烷偶聯(lián)劑水解生成的3個(gè)硅羥基中只有1個(gè)與基材表面鍵合。耐高溫硅烷偶聯(lián)劑按取代基種類分類更多，其中含硫基、氨基類、鏈烯基類、環(huán)氧基類、酰氧基類是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和消費(fèi)較大的品種。按用途可分為偶聯(lián)劑和交聯(lián)劑兩大類。

硅烷品種眾多，其用途主要根據(jù)官能團(tuán)品種及結(jié)構(gòu)決定，耐高溫硅烷偶聯(lián)劑主要應(yīng)用領(lǐng)域包括橡膠、復(fù)合材料、塑料、粘合劑等領(lǐng)域，跨度非常廣。硅烷在橡膠中主要指輪胎加工用途，復(fù)合材料中主要指對(duì)材料中無機(jī)材料和有機(jī)材料之間進(jìn)行界面處理用途，粘合劑則主要指室溫硫化硅橡膠使用的交聯(lián)劑以及其他非硅類粘合劑的應(yīng)用，塑料主要是指聚烯烴加工用途。其他行業(yè)如紡織、涂料、油墨等行業(yè)也有涉足，但受產(chǎn)品質(zhì)量和牌號(hào)限制，國(guó)產(chǎn)硅烷在這幾個(gè)消費(fèi)領(lǐng)域所占比例較小。硅烷的純度對(duì)器件性能和成品率關(guān)系極大，更高的器件需要更高純度的硅烷(包括乙硅烷、丙硅烷)。

耐高溫硅烷偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

硅烷偶聯(lián)劑是一類分子同時(shí)含有兩種不同化學(xué)性質(zhì)基團(tuán)的特殊結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅化合物，可用以下通式表示：

Y-R-SiX3

耐高溫硅烷偶聯(lián)劑式中：Y-R為非水解基團(tuán)，X3為可水解基團(tuán)。Y是可以和有機(jī)化合物起反應(yīng)的基團(tuán)（如乙烯基、氨基、環(huán)氧基、疊氮基等），R是短鏈亞（也稱短鏈烷撐基）通過它把Y與Si原子連接起來；在水性涂料中使用有機(jī)硅偶聯(lián)劑助劑，可以顯著的提高涂膜的流平性、爽滑性、光澤、防粘性、耐水性、耐化學(xué)品性、耐高溫性、抗沾污性和耐印刷性等。X是可以進(jìn)行水解反應(yīng)，并生成Si-OH的基團(tuán)，一般的硅烷偶聯(lián)劑是含有三個(gè)可水解的基團(tuán)。

Y與X是兩類反應(yīng)特性不同的活性基團(tuán)。Y中所帶的基團(tuán)很容易和有機(jī)聚合物中的官能團(tuán)反應(yīng)，從而可以使硅烷偶聯(lián)劑與有機(jī)高分子基料連接。當(dāng)X活性基團(tuán)水解時(shí)，使Si-X能化為Si-OH，而Si-OH與被處理的硅微粉表面的OH形成氫鍵，同時(shí)進(jìn)行加熱，產(chǎn)生縮合脫水反應(yīng)，形成其價(jià)鍵結(jié)合。由此通過硅烷偶聯(lián)劑可將硅微粉體料與有機(jī)高分子材料之間產(chǎn)生一種良好的界面結(jié)合，使兩者可緊密的結(jié)合到一起。(4)耐高溫硅烷偶聯(lián)劑由于分子內(nèi)脫水，部分形成共價(jià)鍵后，緊密排列在金屬表面，形成一層致密的硅烷膜。

在硅烷偶聯(lián)劑這兩類互異的基團(tuán)中，以Y基團(tuán)為重要，耐高溫硅烷偶聯(lián)劑它對(duì)有機(jī)高分子制品的性能影響很大，起決定偶聯(lián)劑性能的作用。只有當(dāng)Y基團(tuán)能和對(duì)應(yīng)的有機(jī)高分子材料起很好的反應(yīng)效果，才能使其基材的性能得到提高。

一般要求Y基團(tuán)要與有機(jī)高分子材料能很好的相溶，并能起到偶聯(lián)的作用。所以對(duì)不同的有機(jī)高分子材料應(yīng)考慮選擇適當(dāng)?shù)腨基團(tuán)硅烷偶聯(lián)劑。

耐高溫硅烷偶聯(lián)劑與硅微粉的作用機(jī)理

硅烷偶聯(lián)劑比較成熟的作用機(jī)理是化學(xué)鍵結(jié)合理論：硅烷偶聯(lián)劑中含有兩類不同的化學(xué)官能團(tuán)，耐高溫硅烷偶聯(lián)劑它的一端能與無機(jī)材料OH反應(yīng)，形成氫鍵，并在一定的條件下縮合、脫水和固化，形成共價(jià)鍵；因此，硅烷偶聯(lián)劑廣泛運(yùn)用于膠黏劑、涂料和油墨、橡膠、鑄造、玻璃纖維、電纜、紡織、塑料、填料、表面處理等行業(yè)。另一端又能與有機(jī)高分材料結(jié)合，從而使有機(jī)高分子材料-硅烷偶聯(lián)劑-無機(jī)材料之間產(chǎn)生一種良好的界面結(jié)合，將兩種性質(zhì)差異較大的材料牢固的結(jié)合在一起。

耐高溫硅烷偶聯(lián)劑該反應(yīng)過程分為四步：

步是硅烷偶聯(lián)劑中與Si相連的3個(gè)水解基團(tuán)與水反應(yīng)，生成硅醇；

第2步是硅醇之間脫水，縮合成Si-OH的低聚硅氧烷；

第3步是低聚硅氧烷的Si-OH與硅微粉表面上的OH反應(yīng)，形成氫鍵；

第4步是在加熱的過程中產(chǎn)生縮合、脫水及固化反應(yīng)，達(dá)到與硅微粉形成牢固的共價(jià)鍵結(jié)合。剩下的兩個(gè)Si-OH或者與其它硅烷偶聯(lián)劑中的Si-OH縮合，或者保持游離狀態(tài)。

新型多功能耐高溫硅烷偶聯(lián)劑在粉體材料中運(yùn)用的理論與實(shí)踐

對(duì)于復(fù)合材料來說，顆粒與樹脂之間的界面往往是應(yīng)力集中點(diǎn)和微裂紋發(fā)起點(diǎn)，為了進(jìn)一步改善界面，提高材料整體性能，需要采用偶聯(lián)劑對(duì)其表面進(jìn)行改性。偶聯(lián)劑種類繁多，硅烷偶聯(lián)劑正是其中之一。

硅烷偶聯(lián)劑（簡(jiǎn)稱“SCA”或“硅烷”）是能同時(shí)與極性物質(zhì)和非極性物質(zhì)產(chǎn)生一定結(jié)合力，把兩種性質(zhì)完全不同的材料連接在一起的化合物硅，其通式可表示為R-SiX3。身為偶聯(lián)劑中被應(yīng)用得早、廣泛的一員，硅烷偶聯(lián)劑發(fā)展至今已有近70年的歷史，幾乎可以與任何一種材料交聯(lián)，包括熱固性材料、熱塑性材料、橡膠及無機(jī)材料等，因此應(yīng)用十分廣泛。由此通過硅烷偶聯(lián)劑可將硅微粉體料與有機(jī)高分子材料之間產(chǎn)生一種良好的界面結(jié)合，使兩者可緊密的結(jié)合到一起。

但隨著現(xiàn)代復(fù)合材料研究的不斷發(fā)展，對(duì)硅烷偶聯(lián)劑性能要求越來越高，不同功能、不同要求的新產(chǎn)品被陸續(xù)被研制和開發(fā)出來。其新型多功能硅烷便是其中一員，具有如下優(yōu)勢(shì)：

①耐高溫硅烷偶聯(lián)劑和無機(jī)填料的表面包覆率更高；

②和有機(jī)樹脂的相容性更廣；

③耐高溫硅烷偶聯(lián)劑功能特點(diǎn)更明顯；

④填料添加量更大，使下游客戶的生產(chǎn)成本降低更明顯。