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無機粉體的硅烷偶聯劑改性「詳細解析」

發布時間:2022-12-12 瀏覽次數:891

  很多無機粉體材料,尤其是石英粉、粘土礦粉、滑石、云母、硅灰石等天然非金屬礦粉體材料 ,是橡膠、塑料工業的重要填料。在橡膠、塑料基體中, 加入上述非金屬礦粉體填料后形成的復合材料,其力學性能在很大程度上受填料和橡膠、塑料基體兩相間應力傳遞的控制。這種傳遞要通過兩相的界面,因而界面性質會影響復合材料的性質。復合材料的破壞往往是從弱的界面處開始的,提高界面間的粘結強度是提高復合材料強度的關鍵。無機非金屬礦物填料與橡膠、塑料基體是兩種性質上完全不同的材料,它們之間存在著很大程度上的不相容性。直接使用這些礦物粉體作填料,其界面間易產生剪切應力,最終影響復合材料的性能。因此,作橡膠、塑料填料的非金屬礦粉體,通常需要對其進行表面改性處理,而無機礦物類粉體最適合的改性劑,通常用硅烷類偶聯劑。

  1、硅烷偶聯劑的結構   

  硅烷偶聯劑是一類分子同時含有兩種不同化學性質基團的特殊結構的有機硅化合物,它們可用以下通式表示:

  Y — R — SiX3

  式中:Y — R 為非水解基團,

  X3 為可水解基團。

  Y是可以和有機化合物起反應的基團(如乙烯基、氨基、環氧基、疊氮基等);

  R 是短鏈亞烷基(也稱短鏈烷撐基),通過它把Y與Si原子連接起來;

  X是可以進行水解反應,并生成S I - O H的基團,一般硅烷偶聯劑含有三個可水解基團。

  Y 與 X 是兩類反應特性不同的活性基團。Y 中所帶的基團很容易和有機聚合物中的官能團反應,從而可以使硅烷偶聯劑與有機高分子基料連接。當X活性基團水解時,使 Si — X能化為Si — OH,而 Si — OH與被處理的無機粉體表面的OH形成氫鍵,同時進行加熱,產生縮合脫水反應,形成其價鍵結合。由此通過硅烷偶聯劑可將無機粉體材料與有機高分子材料之間產生一種良好的界面結合,使兩者可緊密地結合到一起。

  在硅烷偶聯劑這兩類互異的基團中,以 Y 基團最為重要,它對有機高分子制品的性能影響很大,起決定偶聯劑性能的作用。只有當Y基團能和對應的有機高分子材料起很好的反應效果,才能使其基材的性能得到提高。一般要求Y基團要與有機高分子材料能很好的相溶,并能起到偶聯的作用。所以對不同的有機高分子材料應考慮選擇適當的Y基團硅烷偶聯劑。

  2、硅烷偶聯劑與無機粉體的作用機理   

  硅烷偶聯劑比較成熟的作用機理是化學鍵結合理論。此理論認為:硅烷偶聯劑中含有兩類不同的化學官能團,它的一端能與無機材料 O H 反應,形成氫鍵,并在一定的條件下縮合、脫水和固化,形成共價鍵;另一端又能與有機高分子材料結合,從而使有機高分子材料—硅烷偶聯劑—無機材料之間產生一種良好的界面結合,將兩種性質差異較大的材料牢固的結合在一起。

  硅烷偶聯劑與無機粉體的反應過程如下圖。

  該反應過程分為四步:

  步是硅烷偶聯劑中與 Si 相連的3個水解基團與水反應,生成硅醇;

  第二步是硅醇之間脫水, 縮合成S i — O H 的低聚硅氧烷;

  第三步是低聚硅氧烷的 Si — OH 與 無機粉體表面上的 OH 反應,形成氫鍵;

  第四步是加熱的過程中產生脫水及固化,達到與無機粉體形成牢固的共價鍵結合。

  3、硅烷偶聯劑種類及適用對象

 ?。?)硅烷偶聯劑種類

  根據分子結構中R基的不同,硅烷偶聯劑可分為氨基硅烷、環氧基硅烷、硫基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、乙烯基硅烷、脲基硅烷以及異氰酸酯基硅烷等。

 ?。?)硅烷偶聯劑適用對象

  硅烷偶聯劑可用于許多無機粉體,如填料或顏料的表面處理,其中對含硅酸成分較多的石英粉、玻璃纖維、白炭黑等效果更好,對高嶺土、水合氧化鋁、氧化鎂等效果也比較好,對不含游離酸的鈦酸鈣效果欠佳。

 ?。?)硅烷偶聯劑選擇

  選擇硅烷偶聯劑對無機粉體進行表面改性處理時,一定要考慮聚合物基料的種類,也即一定要根據表面改性后無機粉體的應用對象和目的來仔細選擇硅烷偶聯劑。

  4、 硅烷偶聯劑的使用方法及用量

 ?。?)硅烷偶聯劑使用方法:

  應用硅烷偶聯劑的方法有兩種:

  一種是將硅烷配成水溶液,用它處理無機粉體后再與有機高聚物或樹脂基料混合,即預處理方法,該方法表面改性處理效果好,是常用的表面改性方法。

  另一種方法是將硅烷與無機粉體(如填料或顏料)及有機高聚物基料混合,即遷移法。

  多數硅烷偶聯劑在使用之前要配成水溶液,即使其預先水解。水解時間依硅烷偶聯劑的品種和溶液的pH值不同而異,從幾分鐘到幾十分鐘不等。配置時水溶液的pH值一般控制在3-5之間,pH值高于5或低于3將會促進聚合物的生成。因此,已配置好的、已水解的硅烷偶聯劑不能放置太久,否則會自行縮聚而失效。

 ?。?)硅烷偶聯劑用量計算:

  硅烷偶聯劑用量與偶聯劑的品種及填料的比面積有關,假設為單分子層吸附,可按下式進行計算:

  硅烷偶聯劑用量=(填料質量×填料比表面積)/硅烷偶聯劑最小包覆面積

  硅烷偶聯劑最小包覆面積與硅烷偶聯劑的品種不同而異。一般來說,實際用量要小于用上述公式計算的用量。當不知道無機粉體的比表面積數據或硅烷偶聯劑的最小包覆面積時,可將硅烷偶聯劑用量選定為無機粉體質量的0.10%-1.5%。

  大多數硅烷偶聯劑既可以用于干法表面改性,也可以用于濕法表面改性。


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