硅烷偶联剂化学及其应用

 

1、硅烷偶联剂化学

1.1、硅烷的结构

Y-R- Si Men X3-n

Y (有机基团）

①、环氧epoxide；②、甲基丙稀酰氧基methacrylate；③、巯基mercaptan (SH)；④、氨基amine；⑤、烷基alkyl；⑥、异氰酸酯基isocyanate；⑦、乙烯基vinyl。

注：X为可水解基团，可与含羟基无机材料反应。X 基团越大，水解越慢，主链上的Me基团进一步减慢了水解反应。

X (可水解基团）

Cl、Me-O-、Et-O-、i-Pr-O-、MeO-CH2CH2-O-

注：Y为有机官能团，可与高分子出现化学反应或形成氢键等，从而与高分子形成牢靠的结合。

1.2、常用硅烷

1.3、硅烷的偶联和交联功效

有机(聚合物)分子之间形成化学键；

每一个已接枝的硅烷基团(-Si[OR]3)含有三个可交联点；

交联需要湿气并放出醇；

交联加强耐化学性和耐UV性；

如用于：交联聚乙烯电缆，管材；水性涂料的耐水性，耐化学品，耐擦洗。

1.4、硅烷的偶联功效

1.4.1、在有机-无机界面形成化学键接；

1.4.2、防止湿气沿着界面渗透；

1.4.3、防止界面破坏；

1.4.4、将强度由填料传递到树脂；

1.4.5、加强填料的分散性或降低材料的粘度。

1.5、硅烷的水解反应

一般 X= 甲氧基、乙氧基、异丙氧基等。

X = Cl 快速水解，但很少用因水解的产物 (HCl) 有腐蚀性。

影响硅烷水解和缩聚反应的原因：

1.5.1、硅烷在水中的浓度

1.5.2、硅烷水溶液的pH值

1.5.3、催化剂

1.5.4、硅烷的水溶解性

1.5.5、空间位阻和极性原因

1.6、硅烷的水解反应原理

1.6.1、特种的酸和通常的碱可催化水解反应；

1.6.2、水解反应在pH 7时最慢；

1.6.3、在pH少于4或大于7时，可促进低聚物的形成；

1.6.4、Y吸电子基团可加速水解反应如氨基硅烷；

1.6.5、与水不混溶的硅烷水基慢如；

1.6.6、硅链上的大基团会减慢水解反应；

1.6.7、醇类溶剂减慢水解反应；

1.6.8、硅烷三醇不稳定, 容易进一步缩聚。

1.7、硅烷水解的催化剂

任何酸或碱可催化水解反应：

1.7.1、天然酸, 如盐酸, 硫酸和磷酸；

1.7.2、氢氧化物和醇盐, 如苛性苏打；

1.7.3、锡IV和锡II复合物, 如二月桂酸二丁锡；

1.7.4、钛酸酯, 如四-异丙氧基钛酸酯；

1.7.5、锆盐, 如乙氧锆；

1.7.6、磷复合物, 如磷酸盐和亚磷酸盐的水解产物；

1.7.7、胺, 如三丁基胺和咪唑啉。

1.8、硅烷有机基团的重点化学反应

1.8.1、烯基硅烷偶联剂

CH2＝CH－SiX3

CH2＝CH－(CH2)n－SiX3

a.聚合与共聚反应

b.加成反应

1.8.2、含氨基的硅烷偶联剂

H2N－C3H6Si(OR)3

a.加成反应

b.与羧酸衍生物反应

1.8.3、含环氧的硅烷偶联剂

a.与氨基加成反应

b.环氧基团与羧基反应

c.与羟基在强碱或双金属催化加成反应

1.8.4、含巯基的硅烷偶联剂

a.与含不饱和基团的有机物加成反应

2、硅烷偶联剂应用

2.1、硅烷偶联剂的功能

2.1.1、是可用作基体间的弹性桥联剂，即改善两种区别化学性能材料之间的粘接性，达到加强制品的机械、电绝缘、抗老化及憎水等综合性能的目的；

2.1.2、是可用作材料表面改性剂，赋予防水、防静电、防霉、防臭、抗血凝及生理惰性等性能；

2.1.3、是用作非交联聚合物体系的交联固化剂，使其实现常温常压固化。

2.2、硅烷在涂料中的应用

2.2.1、加强附着力

a.在有机聚合物与无机氧化物之间增多附着力

b.在难附着的有机底材上加强附着力

2.2.2、交联剂（加强耐水性）

a.可反应性聚合物

b.拥有潮气固化反应的特点

2.3、硅烷在橡胶中的应用

硅烷偶联剂重点用在白炭黑中，与白炭黑和橡胶起反应，重点功效是：

2.3.1、增多白炭黑与橡胶的结合力

2.3.2、增多制品的耐磨性

2.3.3、减小制品的滚动阻力

2.4、硅烷在胶黏剂中的应用

性能优点：优异的附着力、加强拉伸强度和弹性

功效原理：Y 暗示乙烯基、环氧基、氨基、等有机官能团，常与胶黏剂基体树脂中的有机官能团出现反应﹔X暗示氯基、甲氧基、乙氧基等，這些基团易水解成硅醇而与无机材料(玻璃、硅石、金属等)表面的氧化物或羟基反应，生成稳定的硅氧键。因此呢，通過运用硅烷偶联剂“分子桥”，把兩种完全区别的材料粘结在一块。

2.5、加强填料填充聚合物性能

2.5.1、加强填料在聚合物中的分散性

韧性哥注：经过硅烷处理的填料，能够与聚合物基材结合更紧密，在有些填充量比很强的场合，填料加的多，容易出现刮白现象，经过硅烷处理的填料，就能避免。

2.5.2、加强机械强度(撕裂强度, 拉伸强度, 断裂伸长率, 冲击强度)

2.5.3、降低挤出和加工过程中产生的热.

2.5.4、防止过早热分解.

2.5.5、加强湿态电气性能和湿态机械性能.

2.6、硅烷的防水性

性能优点：

a.明显的憎水性能

b.明显降低石膏、水泥等建材的吸水率

c.良好的呼气透气性

d.加强建材耐碱、盐、酸的侵蚀能力

应用 : 瓷砖、混凝土 、石材….

硅烷 : YC-1004, YC-1005

2.7、硅烷与烯烃交联反应

将热塑性聚乙烯经过分子之间的化学键形成三维的分子结构, 阻止材料重新熔融的过程。

2.7.1、硅烷交联反应功效：

a.加强长时间运用温度

b.加强耐蠕变性

c.加强耐溶剂性

d.加强耐应力开裂性

2.7.2、硅烷交联反应应用：

a.电线电缆 – 用于低压和中压电力电缆的绝缘

b.管材 – 水管和地板采暖管

c.热收缩制品 – 电力电缆的片材

d.薄膜 - 耐蠕变和收缩用途

e.生产硅烷交联热塑性橡胶TPV

2.8、硅烷在玻璃纤维中的应用

2.9、有机硅烷对无机材料的反应性

平常硅烷偶联剂归类及型号：

氨基：A-1100, A-1102, A-1110, A-1170

双氨基：A-1120, A-2120

三氨基：A-1130

异氰酸酯：A-1310

环氧：A-186, A-187

甲基丙烯酰氧基：A-174

巯基：A-1891

聚硫：A-1289, A-1589

脲基：A-1160, A-1524

乙烯基：A-171, A-151, A-172, A-2171, RC-1

硅脂：A-137, A-162, A-1230, A-1630

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