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硅烷偶联剂的应用领域

硅烷偶联剂的应用领域

1、复合材料:复合材料是指由基体树脂、增强材料(填料、玻璃纤维)、功能性助剂(偶联剂、脱模剂、增韧剂)等经过特定设备加工而成的材料,主要有不饱和聚酯复合材料、酚醛模塑料、环氧塑封料、环氧灌封料、环氧浇注料、环氧玻璃纤维布等。其特点为:高强度、高电性能、成型性好等。
        硅烷偶联剂含有可以和无机填料反应的硅氧烷基团以及和有机树脂反应的环氧基、氨基、乙烯基基团等。作为复合材料中常用的助剂,它的作用为:改善基体树脂对填料、玻璃纤维的浸润性,使得基体树脂通过化学键和填料或玻璃纤维相连接,进而提高复合材料的弯曲强度、冲击强度、耐水性、电性能等。
        增韧型硅烷偶联剂是指在硅氧烷基团和有机活性基团之间含有一定分子量的柔性长链。由于柔性长链的存在,适当降低了复合材料中填料表面层的化学键合密度,当复合材料受到外界冲击时,填料表面包裹的柔性链能很好的吸收冲击能量。这样就改善了复合材料的冲击强度,减少了应力开裂。同时由于长链硅烷偶联剂大部分分散在填料的表面层,树脂层中含量较少,适当的用量情况下对复合材料的热变形温度、玻璃化温度影响不大。
        添加增韧型硅烷偶联剂的复合材料具有高韧性且内应力较低,而耐热性却下降不大。和一般的硅烷偶联剂相比,长链硅烷偶联剂在改善胶液对填料的浸润性方面亦有其独特的优点,尤其对于那些具有很高的表面能的填料如:玻璃纤维、纳米二氧化硅等,长链硅烷偶联剂由于具有疏水性的柔性长链,极大地降低了填料的表面能,使得胶液中的溶剂、树脂、助剂等能均匀的渗透到玻璃纤维中或均匀分散到纳米填料表面,这就提高了复合材料的冲击强度、耐热性等。而经过一般的硅烷偶联剂处理的玻璃纤维布在涂胶处理时(如覆铜板生产用的环氧-玻璃纤维半固化片),由于毛细现象,总是纤维布表面胶液中的丙酮、二甲基甲酰胺等低分子量的极性溶剂优先在玻璃纤维中扩散,这样就使得纤维布表面的胶液黏度急剧增大,胶液中的树脂和固化剂难以迅速向玻璃纤维中渗透,由此得到的复合材料冲击强度、耐热性较差。另外亦已证明经过长链硅烷偶联剂处理的玻璃纤维复合材料具有更好的耐离子迁移性。
        由于长链的影响,增韧型硅烷偶联剂和填料或玻璃纤维表面硅醇键的反应速度稍慢,所以需适当延长处理填料的时间。
2、有机胶粘剂:硅烷偶联剂是能同时与极性物质和非极性物质产生一定结合力的化合物,其特点是分子中同时具有极性和非极性部分,可用通式表示为Y(CH2)nSiX3,其中Y表示烷基、苯基以及乙烯基、环氧基、氨基、巯基等有机官能团,常与胶粘剂基体树脂中的有机官能团发生化学结合;X表示氯基、甲氧基、乙氧基等,这些基团易水解成硅醇而与无机物质(玻璃、硅石、金属、粘土等)表面的氧化物或羟基反应,生成稳定的硅氧键。因此,通过使用硅烷偶联剂,可在无机物质和有机物质的界面之间架起“分子桥”,把两种性质完全不同的材料连接在一起,这样就有效地改善了界面层的胶接强度。在胶粘剂中加入硅烷偶联剂不仅能提高粘合强度,而且还能改善胶粘剂的耐久性和耐湿热老化性能。例如聚氨基甲酸酯虽然对许多材料具有较高的粘合力,但其耐久性不太理想,在加入硅烷偶联剂后其耐久性可得到显著改善。陈瑞珠等在研究钛合金粘接件的湿热耐久性问题时,通过在所用环氧胶粘剂中加入硅烷偶联剂,使得胶接件在经过湿热老化后的剪切强度保留率由80%左右提高到97%左右。硅烷偶联剂甚至可以直接用作胶粘剂,用于硅橡胶、氟橡胶、丁腈橡胶等与金属的粘接,如胶粘剂CK-1和Chemlock 607(美国)即是硅烷类。为改善有机胶粘剂的某些性能(如耐热性、自熄性、尺寸稳定性等),或是为降低有机胶粘剂的成本,经常要在胶粘剂中加入一些无机填料。如果预先用硅烷偶联剂对填料进行处理,则因为填料表面的极性基团与硅烷偶联剂发生了反应,从而大大减少了填料与树脂的结构化作用,不仅使填料对胶粘剂基体树脂的相容性和分散性大大提高,而且显著降低了体系的粘度,因而可增大填料用量。然而并不是对所有的填料采用偶联剂处理都有效,填料种类不同,效果上也有差别,有些甚至毫无效果。对于硅石、玻璃、铝粉之类表面带有大量羟基的填料,效果最好,而对于碳酸钙、石墨、硼等表面不带羟基的填料,则毫无效果。
3、塑料:填充改性是塑料改性的重要手段之一,刚性和韧性是塑料制品两个重要性能指标,如何保证塑料制品同时具有良好的刚性和韧性,是长期以来材料科学研究的重要课题之一。
        提高填充改性效果的技术关键之一是无机粉体的表面处理技术。目前应用最多的是偶联剂活化技术。偶联剂的工业品种众多,主要有硅烷类、钛酸酯、铝酸酯、铝钛复合酯、磷酸酯、硼酸酯等偶联剂。偶联剂通常都是两亲性物质,其中一些基团与填料表面吸附或与表面的结合水或一OH反应;另一些基团(或长链)与高聚物基体缠绕,提高无机填料与基材树脂的相容性,改善其在基体中的分散性和界面粘结力。但因有机偶联剂的有机链段短,与基体作用小,对材料力学性能的提高有限,满足不了目前市场上迫切要求提高改善制品性能,进一步降低成本的发展需要。
        人们希望能有一种新型结构的偶联剂除能保持传统偶联剂的双亲结构外,还能以更强的结合力与填料和基础树脂键合、缔合或形成其他形式的物理作用。稀土元素的结构特点恰能满足这种需求。广东炜林纳公司针对PVC应用体系,利用稀土元素与有机配体合成一种具增韧偶联、多功能特性的新型改性剂,与无机粉体CaCO3等,通过“核一壳”包裹技术开发出新型表面处理剂。该产品可用作PVC用无机刚性粒子增韧剂,具多功能性,对PVC或PVC/CaC03填充体系具有独特的致廉增效改性作用,已在工业上应用。

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