文章编号:1000-3851(2004)02-0070-06
收稿日期:2003-01-20;收修改稿日期:2003-05-07
基金项目:教育部科学技术研究重大项目(0202);北京化工大学青年基金项目(QN 0019); 可控化学反应科学与工程教育部重点实验室开放课题
通讯作者:毋 伟,博士,副研究员,主要从事纳米复合材料的制备与应用研究。 E -m ail :w uw ei @m ail .buct .edu .cn
硅烷偶联剂对溶胶凝胶法纳米二氧化硅
复合材料制备及应用的影响
毋 伟1,贾梦秋2,陈建峰1,邵 磊1,初广文1
(1.北京化工大学教育部超重力工程研究中心,北京100029;2.北京化工大学材料科学与工程学院,北京100029)
摘 要: 研究了在溶胶-凝胶法原位制备纳米二氧化硅复合材料过程中硅烷偶联剂与纳米二氧化硅间的作用机理,硅烷偶联剂量的变化对机理的影响以及对在环氧树脂清漆中应用性能的影响。结果表明:溶胶凝胶法纳米二氧化硅复合材料的形成机理是纳米二氧化硅表面的物理吸附水和硅羟基被硅烷偶联剂的有机部分所代替,生成分散均匀的纳米复合材料。当硅烷偶联剂的用量适当时该复合材料在环氧树脂清漆中具有良好的应用性能,表现出纳米材料特有的既增强又增韧特性,有很好的应用前景。
关键词: 溶胶-凝胶法;硅烷偶联剂;用量;纳米二氧化硅;复合材料中图分类号: T B 332 文献标识码:A
EFFECT OF SILANE COUPLING AGENT ON THE PREPARATION AND
APPLICATION OF NANO SILICON DIOXIDE COMPOSITE
MATERIAL BY SOL -GEL METHOD
WU Wei 1
,JIA M eng qiu 2
,CHEN Jianfeng 1
,SHAO Lei 1
,CHU Guangw en
1
(1.R esear ch Center of t he M inistr y o f Educatio n for High G rav ity Eng ineer ing and T echno log y ,Beijing 100029,China ;2.College o f M ater ials Science and Eng ineering ,Beijing U niver sity o f Chemical T echno lo gy ,Beijing 100029,China )
Abstract : T he inter action mechanism betw een silane coupling agent and nano silico n diox ide in the pro cess of in -situ preparation of nano silicon diox ide com posite material w as studied by so l-gel metho d .T he effects of silane coupling agent dosages on the mechanism and the application per-fo rmance of the nano silico n diox ide com posite mater ial in epo xy var nish w er e also investigated .The m echanism o f prepar ing nano silicon dioxide composite m aterial is that the or ganic g roup of silane coupling agent substitutes the physisorption w ater and silicon alcoholic g roup on the sur-face of the nano silicon dio xide and forms nano composite mater ial w ith g ood dispersibility .When the dosag e of silane coupling agent is suitable,the composite material ex hibits a goo d application perform ance in epox y varnish as well as reinfor cing and toughening pro perties of nano mater ials.The preparation techno logy has a go od application prospect.
Key words : so l -gel ;silane coupling agent ;dosag e ;nano silicon diox ide ;com posite material 纳米复合材料是由两种或两种以上的固相至少有一维以纳米级大小复合而成的复合材料。其制备方法主要有溶胶-凝胶法、填充法、插层法、共混法等,其中溶胶-凝胶法是制备纳米复合材料的主要方法,用其制备的纳米复合材料具有无机粒子粒径小、
分散程度好等特点[1]。硅烷偶联剂在溶胶凝胶体系中有着非常广泛的应用,它可以影响无机相粒子的
数量、粒径及其分布、界面状态等,最终影响纳米复合材料的应用性能。但是硅烷偶联剂与无机粉体之间的作用机理是什么,随着加入硅烷偶联剂量的变
复合材料学报
A CT A M A T ER IA E CO M P OSIT A E SI NI CA
第21卷 第2期 4月 2004年V ol.21 N o.2 A pril
2004
图1 试样的
TE M 图
Fig.1 Th e samples T EM pattern s
化它与无机颗粒之间作用机理是否发生变化,这些问题却很少有人研究。
纳米二氧化硅是一种重要的无机化工产品,是橡胶、塑料、油漆、油墨、造纸、农药及牙膏等行业不可缺少的优良原料。纯粹制备的纳米二氧化硅,表面上存在着大量的各种各样的羟基基团,呈极性、亲水性强,众多的颗粒相互联结成链状,链状结构彼此又以氢键相互作用,形成由聚集体组成的立体网状结构,在这种立体网状结构中分子间作用力很强,应用过程中很难均匀分散在有机聚合物中,颗粒的纳米效应很难发挥出来[2,3,4]。如何将纳米二氧化硅均匀分散在高分子材料中,以提高高分子材料的各项性能是众多科学家面临的一项难题。本文作者采用溶胶-凝胶法制备纳米二氧化硅,并将硅烷偶联剂作为改性剂和有机相,对其进行原位改性,考察了该复合材料在环氧树脂清漆中的应用性能,着重研究了硅烷与纳米二氧化硅无机颗粒之间的作用机理及硅烷用量变化对作用机理的影响。
1 实验部分
1.1 试验方法
将46.5g 正硅酸乙酯(T EOS ),90m l 无水乙
醇及10m l 0.1M 盐酸及一定数量的硅烷偶联剂均匀混合后,在55℃下恒温水解6h 得均匀透明的溶胶,然后加热蒸发得凝胶,凝胶在80℃恒温下烘干17h 得白色粉体,破碎、筛分,全部通过-400目后密封保存。试样1、2、3、4、5、6制备时初始加入的硅烷偶联剂的量分别为T EOS 重量的0%,12.5%,
14.3%,16.7%,20%,25%。
傅立叶变换红外光谱仪,用于测定复合材料的成分;岛津XRD -600X 射线衍射分析仪,用于测定复合材料的晶体结构;热重分析仪,用于分析复合材料的热性能;日立H-800型透射电子显微镜,用于测定颗粒的形貌和大小。1.2 试验所用药品及性能
T EOS,化学纯,北京化工厂生产。硅烷偶联剂KH 560,南京强卫化工有限公司生产,分子结构为
醇,分析纯,北京北化精细品有限责任公司生产。环氧树脂清漆,自制。
1.3 涂料的制备
将环氧树脂与制备的二氧化硅复合材料、助剂及溶剂混合,在胶体磨中研磨并过滤,制得涂料。一般来说,纳米粉体在涂料中的用量不超过5%。本文作者在涂料配制时加入的纳米复合材料中纯二氧化硅的含量均为3.8%。1.4 涂层的机械性能
按GB1727-89在马口铁板上制备样板多块,24h 后做各种性能测试,每一个试验均做三个平行实验。涂层的机械性能如:硬度、附着力、柔韧性和抗冲击性等,均按相应的国家标准进行测定。
2 试验结果及分析
2.1 试样的透射电镜照片
图1是试样1、2、3、5的T EM 图。当硅烷偶联
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71?毋 伟,等:硅烷偶联剂对溶胶凝胶法纳米二氧化硅复合材料制备及应用的影响
剂的用量为12.5%时,复合材料中纳米二氧化硅的分散性好,粒径也小,分布均匀。随着硅烷偶联剂用量的增加,二氧化硅的粒径有变大的趋势,这可能是因为过量的硅烷偶联剂起到架桥作用,使纳米二氧化硅颗粒之间产生团聚。单从TEM 图来看:虽然试样2中纳米二氧化硅的分散性好,但无机颗粒与有机物之间并未形成良好界面。试样3、试样5中显示出了无机颗粒与有机物之间形成了良好的界面,但试样5中存在有机物自相形成的膜。另外,从试样1的透射电镜图看:由于制备过程是在含少量水的醇溶液中进行,和其它在水溶液中制备的纳米二氧化硅比较,分散程度有很大提高。可见,硅烷偶联剂的用量对纳米二氧化硅的分散性、粒径大小及分布产生很大的影响,通过这种方法可以制备出二氧化硅均匀分散、颗粒呈纳米级的无机-有机复合材料。2.2 试样的红外光谱研究[5]
图2为试样的红外光谱图。加入硅烷偶联剂后二氧化硅的物理吸附水量和Si-OH 基减少(3400cm
-1
左右和1600cm -1
左右的的吸收峰减弱);含有
明显的亚甲基和C-O 键吸收峰,但二氧化硅的特征
吸收峰(1100cm -1,797cm -1,471cm -1)没有明显变化,只是Si-O 键的伸缩振动吸收峰(1100cm -1,820cm -1
左右)强度增强。说明硅烷偶联剂的加入并未改变二氧化硅的物质组成和晶体结构,只是其表面的部分羟基与硅烷偶联剂作用生成Si -O 键,表面有机成分增多,
疏水性增强。
图2 试样的红外光谱图
Fig.2 T he in frared s pectrogr ams of all s am ples
2.3 试样的XRD 研究
图3为试样的XRD 图。从图中可以看出:硅烷偶联剂对纳米二氧化硅的晶型和晶体结构影响较小,同属无定形结构,但是衍射峰的高度降低,说明
纳米二氧化硅的相对含量或者说纯度降低。
图3 试样的XRD 图
Fig .3 T he XRD patterns of all samples
2.4 试样的热重分析研究
图4为试样的热重分析图。从图上得到的一些信息汇总在表1中。随着硅烷偶联剂用量的增加,失重温度范围越来越窄,除试样2还显示有少量水的失重外,试样3至试样6,试样的失重温度范围几乎未变,都属于结合在二氧化硅表面的有机物分解时的温度范围,说明二氧化硅表面硅羟基结合的吸附
图4 试样的热重分析图
Fig.4 Th e TG-DTA patterns of all samples
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72?复合材料学报
表2 纳米复合材料在环氧树脂清漆中的应用性能
Table2 The application properties of the nano composite materials in epoxy varnish(20℃) No.Har dnes s Impact res istance/cm Tough nes s/mm Adhes ive for ce/gr ad Varn ish0.514512
10.604012
20.674511
30.755011
40.625011
50.534012
60.544512
Nation al standard GB/T1730-1993GB/T1732-1993GB/T1731-1993GB/T1720-1993
水被有机物代替,单一、分布较窄的放热峰也说明通过这种方法制备的复合材料是均匀的,没有发生相分离,且结晶程度有所提高。出现最大放热峰的温度随着试样中有机物含量的增加,基本呈减少的趋势,这可能是因为有少量有机物与二氧化硅之间属物理吸附,或者自行成相。从试样中二氧化硅的含量看,并不是加入的所有硅烷偶联剂都与二氧化硅发生作用形成复合材料,有一部分硅烷偶联剂在复合材料的制备过程中损失掉。通过这种方法制备的复合材料并不需要加入太多的硅烷偶联剂,单从试样的热重分析图上来看,当硅烷偶联剂的含量达到14.3%已经足够。试样3的配比是较好的配比。
2.5 硅烷偶联剂对纳米复合材料在环氧树脂清漆中应用性能的影响研究 表2为制备的复合材料在环氧树脂清漆中的应用性能。在清漆中加入一定量制备的纳米二氧化硅复合材料,环氧涂料的机械性能发生了变化。考察不同用量硅烷偶联剂制备的SiO2复合材料对漆膜性能的影响。随着硅烷偶联剂用量的增加,复合材料在环氧树脂清漆中的应用性能先向好,试样4以后又变差。其中加入试样3的漆膜的硬度和抗冲击性能提高最为明显。这是因为当制备的二氧化硅未经过改性时(如试样1),纳米二氧化硅与环氧树脂清漆相容性不好,虽然使漆膜的硬度有所提高,但抗冲击性能下降。试样2中的纳米二氧化硅由于制备过程中加入的硅烷偶联剂较少,周围未形成柔性界面层,抗冲击性能无明显提高。试样3中的二氧化硅既达到了纳米级分散,周围又形成明显的界面层,对漆膜
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毋 伟,等:硅烷偶联剂对溶胶凝胶法纳米二氧化硅复合材料制备及应用的影响
性能的改善最为明显,起到增强、增韧作用,表现出了纳米效应。试样4、试样5、试样6中加入的硅烷偶联剂量较大,其中有一部分与二氧化硅之间为物理吸附或自行成相,且其形成的聚合物分子量较小,对漆膜的性能有一定的副作用。总之,采用该工艺制备的复合材料,当硅烷偶联剂的用量适当时,能够在环氧树脂清漆中取得良好的应用性能。2.6 机理分析
单独的T EOS 在催化剂作用下发生的主要反应如下[6,7]:
≡Si -OR +H 2O
[Esterification
Hydr olysis
≡Si -OH +ROH
(1)
≡Si -OR +HO -Si ≡[A lcoh olysis
A lcoh ol condensation
≡Si -O -Si ≡+ROH
(2)
≡Si -OH +HO -Si ≡[
Hydrolysis
Water condensation ≡Si -O -Si ≡+H 2O
(3)
≡Si -O -Si ≡之间脱水缩合形成二氧化硅网络结构。
单独的硅烷偶联剂KH560在酸性醇水溶液中发生的主要反应如下:
RSi(OCH 3
)3
+3H 2
O [RSi(OH)3
+3HOCH
3
(4)
RSi(OH )3之间脱水缩合可形成有机立体网络结构。其中R 代表CH 2O
CH
CH 2O(CH 2)3
TEOS 与KH 560均匀混合物在醇水溶液中H +
作用下,可能有以下几种情况:
(1)形成不均匀的复合材料。
表面含羟基的无机二氧化硅的网络结构与硅烷形成的有机立体网络结构脱水缩合,形成复合材料,这种复合材料是不均匀的。 (2)形成杂化复合材料
硅烷偶联剂进入无机二氧化硅网络,形成纳米二氧化硅-硅烷偶联剂杂化材料。
(3)形成表面含有机柔性层的二氧化硅复合材料。
T EOS 水解的速度快,首先生成表面含羟基的无机二氧化硅网络结构,而硅烷偶联剂虽然发生了水解和部分缩聚但未能形成立体网络结构,其水解产物与二氧化硅网络结构的表面羟基脱水缩合,形成复合材料,硅烷偶联剂起到了表面改性剂的作用。由于整个溶液中都含有硅烷偶联剂,二氧化硅颗粒
一经形成,即被硅烷所改性,阻止了颗粒的进一步生长和团聚,因此加入较少量的硅烷偶联剂,得到的纳米颗粒粒径小,分散程度高(见图1中的试样2T EM 图)。当加入的硅烷偶联剂量较大时,除了对二氧化硅表面进行原位改性并形成有机柔性层外,还自行结合成膜(见图1中的试样5TEM 图)。 从前面研究结果看:在该研究条件下,纳米二氧化硅与硅烷偶联剂的作用机理比较符合第三种情况。在复合材料中硅烷偶联剂的比例占少数,不足以形成大的有机立体网络结构,当二氧化硅网络结构的表面羟基基本有机化并形成柔性层后,多余的硅
烷偶联剂只能自身结合成膜,由于其沸点较低,在溶剂蒸发过程中大部分被损失掉,因此红外光谱,
XRD ,热重分析对产品的检测结果都证明该复合材料的主成分和主要晶体结构均为纳米二氧化硅,只是纳米二氧化硅表面的物理吸附水和硅羟基被硅烷偶联剂或其缩合产物的有机部分所代替,生成改性完全并分散均匀的纳米二氧化硅复合材料。 硅烷偶联剂是含二氧化硅复合材料的优良界面改性剂,有着广泛的应用[8,9,10]。JKH560的分子结构中含有环氧基和C-O-C 基,与环氧树脂的相容性较好,当用量适当时,用其制备的纳米二氧化硅复合材料在环氧树脂清漆中具有良好的应用性能。 颗粒的粒子半径与复合材料所得到的最高强度的关系如下[11]:
S max =351+
2.71
1+r
2
(5)
式中:r 为粒子的半径;S max 为纳米复合材料所能得到的最高强度。在相同充填量的情况下,粒径越小,复合材料的强度越高。复合材料的强度除与粒径有关外,还与无机颗粒在复合材料中的分散以及无机颗粒与有机基体界面的状况关系很大。只有将这几个因素协调统一起来,才能取得良好的结果。
3 结 论
本文研究表明:溶胶凝胶法纳米二氧化硅原位改性及复合材料形成的机理是纳米二氧化硅表面的物理吸附水和硅羟基被硅烷偶联剂的有机部分所代替,生成改性完全并分散均匀的纳米二氧化硅复合材料。当硅烷偶联剂的用量适当时该复合材料在环氧树脂清漆中具有良好的应用性能,表现出既增强又增韧的特性,显示出纳米效应。该制备方法可以实现纳米颗粒的良好分散并在其表面形成良好的界面
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74?复合材料学报
结合层,有很好的应用前景。
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75
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毋 伟,等:硅烷偶联剂对溶胶凝胶法纳米二氧化硅复合材料制备及应用的影响
硅烷偶联剂的使用（完整篇） 一、选用硅烷偶联剂的一般原则 已知，硅烷偶联剂的水解速度取于硅能团Si-X，而与有机聚合物的反应活性则取于碳官能团C-Y。因此，对于不同基材或处理对象，选择适用的硅烷偶联剂至关重要。选择的方法主要通过试验预选，并应在既有经验或规律的基础上进行。例如，在一般情况下，不饱和聚酯多选用含CH2=CMeCOO、Vi及 CH2-CHOCH2O－的硅烷偶联剂；环氧树脂多选用含CH2－CHCH2O及H2N－硅烷偶联剂；酚醛树脂多选用含H2N－及H2NCONH－硅烷偶联剂；聚烯烃选用乙烯基硅烷；使用硫黄硫化的橡胶则多选用烃基硅烷等。由于异种材料间的黏接可度受到一系列因素的影响，诸如润湿、表面能、界面层及极性吸附、酸碱的作用、互穿网络及共价键反应等。因而，光靠试验预选有时还不够精确，还需综合考虑材料的组成及其对硅烷偶联剂反应的敏感度等。为了提高水解稳定性及降低改性成本，硅烷偶联剂中可掺入三烃基硅烷使用；对于难黏材料，还可将硅烷偶联剂交联的聚合物共用。硅烷偶联剂用作增黏剂时，主要是通过与聚合物生成化学键、氢键；润湿及表面能效应；改善聚合物结晶性、酸碱反应以及互穿聚合物网络的生成等而实现的。增黏主要围绕3种体系：即（1）无机材料对有机材料；（2）无机材料对无机材料；（3）有机材料对有机材料。对于第一种黏接，通常要求将无机材料黏接到聚合物上，故需优先考虑硅烷偶联剂中Y与聚合物所含官能团的反应活性；后两种属于同类型材料间的黏接，故硅烷偶联剂自身的反亲水型聚合物以及无机材料要求增黏时所选用的硅烷偶联剂。 二、使用方法 如同前述，硅烷偶联剂的主要应用领域之一是处理有机聚合物使用的无机填料。后者经硅烷偶联剂处理，即可将其亲水性表面转变成亲有机表面，既可避免体系中粒子集结及聚合物急剧稠化，还可提高有机聚合物对补强填料的润湿性，通过碳官能硅烷还可使补强填料与聚合物实现牢固键合。但是，硅烷偶联剂的使用效果，还与硅烷偶联剂的种类及用量、基材的特征、树脂或聚合物的性质以及应用的场合、方法及条件等有关。本节侧重介绍硅烷偶联剂的两种使用方法，即表面处理法及整体掺混法。前法是用硅烷偶联剂稀溶液处理基体表面；后法是将硅烷偶联剂原液或溶液，直接加入由聚合物及填料配成的混合物中，因而特别适用于需要搅拌混合的物料体系。 1、硅烷偶联剂用量计算 被处理物（基体）单位比表面积所占的反应活性点数目以及硅烷偶联剂覆盖表面的厚度是决定基体表面硅基化所需偶联剂用量的关键因素。为获得单分子层覆盖，需先测定基体的Si－OH含量。已知，多数硅质基体的Si－OH含是来4-12个/μ㎡，因而均匀分布时，1mol硅烷偶联剂可覆盖约7500m2的基体。具有多个可水解基团的硅烷偶联剂，由于自身缩合反应，多少要影响计算的准确性。若使用Y3SiX处理基体，则可得到与计算值一致的单分子层覆盖。但因Y3SiX价昂，且覆盖耐水解性差，故无实用价值。此外，基体表面的Si-OH数，也随加热条件而变化。例如，常态下Si－OH数为5.3个/μ㎡硅质基体，经在400℃或800℃下加热处理后，则Si－OH值可相应降为2.6个/μ㎡或＜1个/μ㎡。反之，使用湿热盐酸处理基体，则可得到高Si－OH含量；使用碱性洗涤剂处理基体表面，则可形成硅醇阴离子。硅烷偶联剂的可润湿面积（WS），是指1g硅烷偶联剂的溶液所能覆盖基体的面积（㎡/g）。若将其与含硅基体的表面积值（㎡/g）关连，即可计算出单分子层覆盖所需的硅烷偶联剂用量。以处理填料为例，填料表面形成单分子
硅烷偶联剂的使用说 明
硅烷偶联剂使用说明 一、选用硅烷偶联剂的一般原则 已知，硅烷偶联剂的水解速度取于硅能团Si-X，而与有机聚合物的反应活性则取于碳官能团C-Y。因此，对于不同基材或处理对象，选择适用的硅烷偶联剂至关重要。选择的方法主要通过试验预选，并应在既有经验或规律的基础上进行。例如，在一般情况下，不饱和聚酯多选用含CH2=CMeCOO、Vi及CH2-CHOCH2O－的硅烷偶联剂；环氧树脂多选用含CH2－CHCH2O及H2N－硅烷偶联剂；酚醛树脂多选用含H2N－及H2NCONH－硅烷偶联剂；聚烯烃多选用乙烯基硅烷；使用硫黄硫化的橡胶则多选用烃基硅烷等。由于异种材料间的黏接可度受到一系列因素的影响，诸如润湿、表面能、界面层及极性吸附、酸碱的作用、互穿网络及共价键反应等。因而，光靠试验预选有时还不够精确，还需综合考虑材料的组成及其对硅烷偶联剂反应的敏感度等。为了提高水解稳定性及降低改性成本，硅烷偶联剂中可掺入三烃基硅烷使用；对于难黏材料，还可将硅烷偶联剂交联的聚合物共用。 硅烷偶联剂用作增黏剂时，主要是通过与聚合物生成化学键、氢键；润湿及表面能效应；改善聚合物结晶性、酸碱反应以及互穿聚合物网络的生成等而实现的。增黏主要围绕3种体系：即（1）无机材料对有机材料；（2）无机材料对无机材料；（3）有机材料对有机材料。对于第一种黏接，通常要求将无机材料黏接到聚合物上，故需优先考虑硅烷偶联剂中Y与聚合物所含官能团的反应活性；后两种属于同类型材料间的黏接，故硅烷偶联剂自身的反亲水型聚合物以及无机材料要求增黏时所选用的硅烷偶联剂。 二、使用方法 如同前述，硅烷偶联剂的主要应用领域之一是处理有机聚合物使用的无机填料。后者经硅烷偶联剂处理，即可将其亲水性表面转变成亲有机表面，既可避免体系中粒子集结及聚合物急剧稠化，还可提高有机聚合物对补强填料的润湿性，通过碳官能硅烷还可使补强填料与聚合物实现牢固键合。但是，硅烷偶联剂的使用效果，还与硅烷偶联剂的种类及用量、基材的特征、树脂或聚合物的性质以及应用的场合、方法及条件等有关。本节侧重介绍硅烷偶联剂的两种使用方法，即表面处理法及整体掺混法。前法是用硅烷偶联剂稀溶液处理基体表面；后法是将硅烷偶联剂原液或溶液，直接加入由聚合物及填料配成的混合物中，因而特别适用于需要搅拌混合的物料体系。 1、硅烷偶联剂用量计算 被处理物（基体）单位比表面积所占的反应活性点数目以及硅烷偶联剂覆盖表面的厚度是决定基体表面硅基化所需偶联剂用量的关键因素。为获得单分子层覆盖，需先测定基体的Si－OH含量。已知，多数硅质基体的Si－OH含是来4-12个 /μ㎡，因而均匀分布时，1mol硅烷偶联剂可覆盖约7500m2的基体。具有多个可水解基团的硅烷偶联剂，由于自身缩合反应，多少要影响计算的准确性。若使用 Y3SiX处理基体，则可得到与计算值一致的单分子层覆盖。但因Y3SiX价昂，且覆
一、选用硅烷偶联剂的一般原则 已知，硅烷偶联剂的水解速度取于硅能团Si-X ，而与有机聚合物的反应活性则取于碳官能团C-丫。因此，对于不同基材或处理对象，选择适用的硅烷偶联剂至关重要。选择的方法主要通过试验预选，并应在既有经验或规律的基础上进行。例如，在一般情况下，不饱和聚酯多选用含CH2=CMeC、OOVi 及CH2-CHOCH－2O 的硅烷偶联剂；环氧树脂多选用含CH2- CHCH2及H2N-硅烷偶联剂；酚醛树脂多选用含H2N-及H2NC0NH硅烷偶联剂；聚烯烃选用乙烯基硅烷；使用硫黄硫化的橡胶则多选用烃基硅烷等。由于异种材料间的黏接可度受到一系列因素的影响，诸如润湿、表面能、界面层及极性吸附、酸碱的作用、互穿网络及共价键反应等。因而， 光靠试验预选有时还不够精确，还需综合考虑材料的组成及其对硅烷偶联剂反应的敏感度等。为了提高水解稳定性及降低改性成本，硅烷偶联剂中可掺入三烃基硅烷使用；对于难黏材料，还可将硅烷偶联剂交联的聚合物共用。硅烷偶联剂用作增黏剂时，主要是通过与聚合物生成化学键、氢键；润湿及表面能效应；改善聚合物结晶性、酸碱反应以及互穿聚合物网络的生成等而实现的。增黏主要围绕 3 种体系：即（1）无机材料对有机材料；（2）无机材料对无机材料；（3）有机材料对有机材料。对于第一种黏接，通常要求将无机材料黏接到聚合物上，故需优先考虑硅烷偶联剂中丫与聚合物所含官能团的反应活性；后两种属于同类型材料间的黏接，故硅烷偶联剂自身的反亲水型聚合物以及无机材料要求增黏时所选用的硅烷偶联剂。 二、使用方法 如同前述，硅烷偶联剂的主要应用领域之一是处理有机聚合物使用的无机填料。后者经硅烷偶联剂处理，即可将其亲水性表面转变成亲有机表面，既可避免体系中粒子集结及聚合物急剧稠化，还可提高有机聚合物对补强填料的润湿性，通过碳官能硅烷还可使补强填料与聚合物实现牢固键合。但是，硅烷偶联剂的使用效果，还与硅烷偶联剂的种类及用量、基材的特征、树脂或聚合物的性质以及应用的场合、方法及条件等有关。本节侧重介绍硅烷偶联剂的两种使用方法，即表面处理法及整体掺混法。前法是用硅烷偶联剂稀溶液处理基体表面；后法是将硅烷偶联剂原液或溶液，直接加入由聚合物及填料配成的混合物中，因而特别适用于需要搅拌混合的物料体系。 1、硅烷偶联剂用量计算 被处理物（基体）单位比表面积所占的反应活性点数目以及硅烷偶联剂覆盖表面的厚度是决定基体表面硅基化所需偶联剂用量的关键因素。为获得单分子层覆盖，需先测定基体的Si—OH含量。已知，多数硅质基体的Si —OH含是来4-12 个/卩叭因而均匀分布时，1mol硅烷偶联剂可覆盖约7500m2的基体。具有多个可水解基团的硅烷偶联剂，由于自身缩合反应，多少要影响计算的准确性。若使用丫3SiX处理基体，则可得到与计算值一致的单分子层覆盖。但因丫3SiX价昂，且覆盖耐水解性差，故无实用价值。此外，基体表面的Si-OH数，也随加热条件而变化。例如，常态下Si —OH数为5.3个/卩川硅质基体，经在400C或800C 下加热处理后，则Si —OH值可相应降为2.6个/卩卅或V 1个/卩讥反之，使用湿热盐酸处理基体，则可得到高Si —OH含量；使用碱性洗涤剂处理基体表面，则可形成硅醇阴离子。硅烷偶联剂的可润湿面积（WS，是指ig硅烷偶联剂的溶液所能覆
硅烷偶联剂使用说明 一、选用硅烷偶联剂的一般原则 已知，硅烷偶联剂的水解速度取于硅能团Si-X，而与有机聚合物的反应活性则取于碳官能团C-Y。因此，对于不同基材或处理对象，选择适用的硅烷偶联剂至关重要。选择的方法主要通过试验预选，并应在既有经验或规律的基础上进行。例如，在一般情况下，不饱和聚酯多选用含CH2=CMeCOO、Vi及CH2-CHOCH2O－的硅烷偶联剂；环氧树脂多选用含CH2－CHCH2O及H2N－硅烷偶联剂；酚醛树脂多选用含H2N－及H2NCONH－硅烷偶联剂；聚烯烃多选用乙烯基硅烷；使用硫黄硫化的橡胶则多选用烃基硅烷等。由于异种材料间的黏接可度受到一系列因素的影响，诸如润湿、表面能、界面层及极性吸附、酸碱的作用、互穿网络及共价键反应等。因而，光靠试验预选有时还不够精确，还需综合考虑材料的组成及其对硅烷偶联剂反应的敏感度等。为了提高水解稳定性及降低改性成本，硅烷偶联剂中可掺入三烃基硅烷使用；对于难黏材料，还可将硅烷偶联剂交联的聚合物共用。 硅烷偶联剂用作增黏剂时，主要是通过与聚合物生成化学键、氢键；润湿及表面能效应；改善聚合物结晶性、酸碱反应以及互穿聚合物网络的生成等而实现的。增黏主要围绕3种体系：即（1）无机材料对有机材料；（2）无机材料对无机材料；（3）有机材料对有机材料。对于第一种黏接，通常要求将无机材料黏接到聚合物上，故需优先考虑硅烷偶联剂中Y与聚合物所含官能团的反应活性；后两种属于同类型材料间的黏接，故硅烷偶联剂自身的反亲水型聚合物以及无机材料要求增黏时所选用的硅烷偶联剂。 二、使用方法 如同前述，硅烷偶联剂的主要应用领域之一是处理有机聚合物使用的无机填料。后者经硅烷偶联剂处理，即可将其亲水性表面转变成亲有机表面，既可避免体系中粒子集结及聚合物急剧稠化，还可提高有机聚合物对补强填料的润湿性，通过碳官能硅烷还可使补强填料与聚合物实现牢固键合。但是，硅烷偶联剂的使用效果，还与硅烷偶联剂的种类及用量、基材的特征、树脂或聚合物的性质以及应用的场合、方法及条件等有关。本节侧重介绍硅烷偶联剂的两种使用方法，即表面处理法及整体掺混法。前法是用硅烷偶联剂稀溶液处理基体表面；后法是将硅烷偶联剂原液或溶液，直接加入由聚合物及填料配成的混合物中，因而特别适用于需要搅拌混合的物料体系。 1、硅烷偶联剂用量计算 被处理物（基体）单位比表面积所占的反应活性点数目以及硅烷偶联剂覆盖表面的厚度是决定基体表面硅基化所需偶联剂用量的关键因素。为获得单分子层覆盖，需先测定基体的
常用硅烷偶联剂介绍标准化管理部编码-[99968T-6889628-J68568-1689N]
常用硅烷偶联剂介绍 1.KH550 KH550硅烷偶联剂CAS号：919-30-2 一、国外对应牌号 A-1100（美国联碳），Z-6011（美国道康宁），KBM-903（日本信越）。本品有碱性，通用性强，适用于环氧、PBT、酚醛树脂、聚酰胺、聚碳酸酯等多种热塑性和热固性树脂。 二、化学名称分子式： 名称：γ-氨丙基三乙氧基硅烷 别名：3-三乙氧基甲硅烷基-1-丙胺 【3-TriethoxysilylpropylamineAPTES】， γ-氨丙基三乙氧基硅烷或3-氨基丙基三乙氧基硅烷【3-AminpropyltriethoxysilaneAMEO】 分子式：NH 2(CH 2 ) 3 Si(OC 2 H 5 ) 3 分子量：221.37 分子结构： 三、物理性质: 外观：无色透明液体 密度（ρ25℃)：0.946
沸点：217℃ 折光率nD25:1.420 溶解性：可溶于有机溶剂，但丙酮、四氯化碳不适宜作释剂；可溶于水。在水中水解，呈碱性。 本品应严格密封，存放于干燥、阴凉、避光的室内。 四、KH550主要用途： 本品应用于矿物填充的酚醛、聚酯、环氧、PBT、聚酰胺、聚碳酸酯等热塑性和热固体树脂，能大幅度提高增强塑料的干湿态抗弯强度、抗压强度、剪切强度等物理力学性能和湿态电气性能，并改善填料在聚合物中的润湿性和分散性。 本品是优异的粘结促进剂，可用于聚氨酯、环氧、腈类、酚醛胶粘剂和密封材料，可改善颜料的分散性并提高对玻璃、铝、铁金属的粘合性，也适用于聚氨酯、环氧和丙烯酸乳胶涂料。 在树脂砂铸造中，本品增强树脂硅砂的粘合性，提高型砂强度抗湿性。 在玻纤棉和矿物棉生产中，将其加入到酚醛粘结剂中，可提高防潮性及增加压缩回弹性。 在砂轮制造中它有助于改进耐磨自硬砂的酚醛粘合剂的粘结性及耐水性。 2.KH560 一、国外对应牌号： A-187（美国联碳公司）。
硅烷偶联剂的使用方法 硅烷偶联剂的使用方法主要有表面预处理法和直接加入法，前者是用稀释的偶联剂处理填料表面，后者是在树脂和填料预混时，加入偶联剂的原液。 (1)表面预处理法 将硅烷偶联剂配成0.5～1%浓度的稀溶液，使用时只需在清洁的被粘表面涂上薄薄的一层，干燥后即可上胶。所用溶剂多为水、醇（甲氧基硅烷选择甲醇，乙氧基硅烷选择乙醇）、或水醇混合物，并以不含氟离子的水及价廉无毒的乙醇、异丙醇为宜。除氨烃基硅烷外，由其它硅烷偶联剂配制的溶液均需加入醋酸作水解催化剂，并将pH值调至3.5～5.5。长链烷基及苯基硅烷由于稳定性较差，不宜配成水溶液使用。氯硅烷及乙氧基硅烷水解过程中伴随有严重的缩合反应，也不宜配成水溶液或水醇溶液使用，而多配成醇溶液使用。水溶性较差的硅烷偶联剂，可先加入0.1～0.2%(质量分数)的非离子型表面活性剂，然后再加水加工成水乳液使用。硅烷偶联剂配成溶液，有利于硅烷偶联剂在材料表面的分散，溶剂是水和醇配制成的溶液，溶液一般为硅烷（20%）、醇（72%）、水（8%），醇一般为乙醇（对乙氧基硅烷）甲醇（对甲氧基硅烷）及异丙醇（对不易溶于乙醇、甲醇的硅烷）因硅烷水解速度与PH值有关，中性最慢，偏酸、偏碱都较快，因此一般需调节溶液的PH值，除氨基硅烷外，其他硅烷可加入少量醋酸，调节PH值至4—5，氨基硅烷因具碱性，不必调节。因硅烷水解后，不能久存，最好现配现用，最好在一小时内用完。 (2)直接添加方法 将硅烷偶联剂直接加入到胶粘剂组分中，一般加入量为基体树脂量的1～5%。涂胶后依靠分子的扩散作用，偶联剂分子迁移到粘接界面处产生偶联作用。对于需要固化的胶粘剂，涂胶后需放置一段时间再进行固化，以使偶联剂完成迁移过程，方能获得较好的效果。实际使用时，偶联剂常常在表面形成一个沉积层，但真正起作用的只是单分子层，因此，偶联剂用量不必过多。 硅烷偶联剂具体使用方法 （1）预处理填料法 将填料放入固体搅拌机(高速固体搅拌机HENSHEL（亨舍尔）或V型固体搅拌机等)，并将上述硅烷溶液直接喷洒在填料上并搅拌，转速越高，分散效果越好。
Unitive@ silane coupling agents MP-320 2,3-环氧丙基丙基三甲氧基硅烷 2,3-epoxypropyl trimethoxy silane ·环氧官能团偶联剂，提供可稳定储存且不泛黄1的粘接促进效果，适宜作为聚硫、聚氨酯、环氧、丙烯酸类密封剂和胶黏剂的粘合促进剂 ·可显著提高涂料、油墨对玻璃、金属、陶瓷等无机材料的附着力和耐水性。 ·改善环氧树脂电子材料、灌封料、印刷电路板的电气性能，尤其是湿态电气性能。 ·作为无机填料的表面处理剂，适用于硅微粉、玻璃微珠、氢氧化铝、陶土、滑石粉、硅灰石、白炭黑、石英粉、金属粉末等。
MP-321 氨基官能团三甲氧基硅烷 Aminofunctional trimethoxysilane · 是一款强附着性多功能Adherant 附着力促进剂， 为一种含有氨基官能团硅烷偶合物。 · 针对特定的镁、铝、铁、锌等复合金属材料、氧 化涂层的涂覆和黏合的要求而设计。 · 更适用于接着剂、弹性体、填缝剂，油墨等，以 提高长时间的优良附着性涂膜耐水性、防蚀性与抗盐雾性。 · 对环氧树脂、酚醛、三聚氰胺、丙烯酸、聚氨酯、 有机硅等有优异的相容性，高温烘烤260℃不影响光泽度及色彩的鲜艳性。 MP-383 巯基官能团硅烷偶联剂 (3-Mercaptopropyl)trimethoxy silane · 随着巯基官能团的引入使得其具有碳碳双键的光聚合反应，与树脂体系产生双重交联固化。巯基官能团还可与聚 氨酯树脂发生亲核加成反应，在光固化和双组份交联固化体系作为金属表面保护剂具有特殊功效。 · 用其处理金、银、铜等金属表面，可增强其表面的耐腐性、抗氧化性以及耐水性和耐老化性、增加其与树脂等高 分子的粘接性。 · 用于处理白炭黑，炭黑，玻璃纤维、云母等无机填料，能有效提高橡胶的力学性能和耐磨性能等。 MP-397 异氰酸酯基硅烷偶联剂 3-Isocyanatopropyltrimethoxysilane · 在涂料、油墨、粘合剂中作为交联剂和助粘剂使用。出众的湿性粘附性能在玻璃、金属和其他无机基底上广泛应 用；还可以较好的附着于难以粘附的有机材料，如尼龙和其他塑料产品。 · 在大气湿度存在下可以快速水解，不黄变且具有非常好的热稳定性、化学稳定性和UV 稳定性。 · 适合的聚合物：丙烯酸类、硅树脂类(Si)、PU-预聚物等。 MP-328 乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷 Vinyl tris(2-methoxyethoxy) silane · 特殊的乙烯基硅烷偶合物，对各类塑 胶、金属、玻璃及其他无机材料具有持久的湿膜和干膜附着力。 · 可明显增强涂膜的耐湿热、水煮和盐 雾性能，在气干性塑胶涂料及UV 光固化体系同样有效。 · 优异的储存稳定性在各类涂料，油 墨，胶黏剂中有广泛的应用。
改性剂用量对沉降体积的影响改性剂用量与沉降体积的关系曲线，见图1。从图1可看出，沉降体积随着改性剂用量的增加而增加，但是提高幅度不是很大。在实际应用中真正起到改性作用的是少量的改性剂所形成的单分子层，因此过多的增加改性剂的用量是不必要的，不仅会在粒子间搭桥导致絮凝，使稳定性变差，而且还增加不必要的经济付出。实验所选择的硅烷偶联剂的用量在1%~2%。 2.2 改性时间对沉降体积的影响实验结果见图2。从图2可看出，当改性时间为10min时，沉降体积达到极大值，然后随着改性时间的增加，沉降体积缓慢下降。在改性时间为30min 和60min时，均保持在一个相对稳定的水平。但是改性时间为40min时出现异常，沉降体积大幅度下降。硅烷偶联剂对高岭土进行表面改性，理论上以化学键合作用为主，改性效果不会出现较大的变化，出现异常的原因还有待进一步的研究。 2.3 改性温度对沉降体积的影响采用硅烷偶联剂作为改性剂时，为了保证较好的改性效果，需要确定适宜的表面改性温度。改性温度对沉降体积的影响，见图3。从图3可看出，沉降体积随改性温度的增加而增加。当温度升高至90℃时，沉降体积达到最大值14.4ml。继续提高温度，则沉降体积下降。因此，改性剂对高岭土的最佳改性温度为90℃。 沉降性能分析称取2g改性前后的纳米高岭土，置于50ml液体石蜡中，磁力搅拌10min，倒入刻度试管，静置观察沉降性能。纳米高岭土在液体石蜡中的沉降体积随时间的变化关系，见图4。从图4可看出，未经改性的纳米高岭土由于表面具有亲水性，在有机相中倾向于团聚，大粒子沉降较快，小粒子被沉降较快的大粒子所夹带，所以在开始的时间内沉降很快，沉降速度随时间增加逐渐减慢；而高岭土经过改性处理后，表面呈现亲有机性，在有机相中倾向于分散均匀，所以在开始的时间内沉降速度较未改性高岭土慢。 随着沉降时间的增加，沉降体积均达到平衡。未改性高岭土的平衡沉降体积为13.4ml，而经过硅烷偶联剂改性处理后，样品的平衡沉降体积为21.3ml。在相同的实验条件下，沉积物的体积变大，说明改性高岭土在液体石蜡中的分散性和稳定性提高。 2.5 FT-IR分析硅烷偶联剂改性前后的纳米高岭土的红外吸收光谱，见图5。从图5可看出，改性处理后，高岭土在2800cm-1~3000cm-1之间出现的微弱峰是-CH3 和-CH2 的伸缩振动吸收峰；在1120cm-1 ~1000cm-1之间的Si-O和Si-O-Si振动吸收区变宽，这是由于硅烷偶联剂与高岭土表面形成的R-Si-O-Si与高岭土的Si-O-Si振动吸收带重合所致；出现在1034cm-1处的Si-O的伸缩振动吸收峰移至1036cm-1处；在3670cm-1处的微弱的OH吸收峰消失，这是表面官能团化学键的振动模式受到影响的结果。上述吸收峰的变化均说明硅烷偶联剂与高岭土发生了化学键合作用。 从表1可看出，硅烷偶联剂改性后，高岭土表面O元素的含量下降15.92%，C元素的含量为17.03%，而Si和Al元素的含量变化不大。硅烷偶联剂改性前后纳米高岭土的C1s价带谱图，见图7。从图7可知C1s峰发生偏移，在287.5eV附近出现C-O峰，另外，硅烷偶联剂引入了Si元素，其特征峰发生偏移，从102.35eV移至102.85eV，上述现象均说明硅烷偶联剂对于纳米高岭土的改性不是一种物理吸附而是一种化学键合作用。
硅烷偶联剂kh550使用方法硅烷偶联剂的使用方法主要有表面预处理法和直接加入法，前者是用稀释的偶联剂处理填料表面，后者是在树脂和填料预混时，加入偶联剂原液。硅烷偶联剂配成溶液，有利于硅烷偶联剂在材料表面的分散，溶剂是水和醇配制成的溶液，溶液一般为硅烷（20%），醇（72%），水（8%），醇一般为乙醇（对乙氧基硅烷）、甲醇（对甲氧基硅烷）及异丙醇（对不易溶于乙醇、甲醇的硅烷）；因硅烷水解速度与PH值有关，中性最慢，偏酸、偏碱都较快，因此一般需调节溶液的PH值、除氨基硅烷外，其他硅烷可加入少量醋酸，调节PH值至4-5，氨基硅烷因具碱性，不必调节。因硅烷水解后，不能久存，最好现配现用，适宜在一小时用完。下面是一些具体应用，以供用户参考：（1）、预处理填料法：将填料放入固体搅拌机（高速固体搅拌机HENSHEL（亨舍尔）或V型固体搅拌机等），并将上述硅烷溶液直接喷洒在填料上并搅拌，转速越高，分散效果越好。一般搅拌在10-30分钟（速度越慢，时间越长），填料处理后应在120℃烘干（2小时）。（2）、硅烷偶联剂水溶液（玻纤表面处理剂）：玻纤表面处理剂常含有：成膜剂、抗静电剂、表面活性剂、偶联剂、水。偶联剂用量一般为玻纤表面处理剂总量的0.3%-2%，将5倍水溶液首先用有机酸或盐将PH调至一定值，在充分搅拌下，加入硅烷直到透明，然后加入其余组份，对于难溶的硅烷，可用异丙醇助溶。在拉丝过程中将玻纤表面处理剂在玻纤上干燥，除去溶剂及水份即可。（3）、底面法：将5%-20%的硅烷偶联剂的溶液同上面所述，通过涂、刷、喷，浸渍处理基材表面，取出室温晾干24小时，最好在120℃下烘烤15分钟。（4）、直接加入法：硅烷亦可直接加入“填料/树脂”的混合物中，在树脂及填料混合时，硅烷可直接喷洒在混料中。偶联剂的用量一般为填料量的0.1%-2%，（根据填料直径尺寸决定）。然后将加入硅烷的树脂/填料进行模型（挤出、注塑、涂覆等）。大致的填料直径和使用硅烷的比例如下：填料尺寸使用硅烷比例60目0.1%，100目0.25%，200目0.5%，300目0.75%，400目1.0%，500目以上1.5%常用硅烷醇/水溶液所需PH值：产品名称处理时的溶剂适宜PH 值KH-550乙醇/水：9.0~10.0 偶联剂是一种重要的、应用领域日渐广泛的处理剂,主要用作高分子复合材料的
硅酸盐学报 · 409 ·2011年 硅烷偶联剂对碳化硅粉体的表面改性 铁生年，李星 (青海大学非金属材料研究所，西宁 810016) 摘要：采用KH-550硅烷偶联剂对SiC粉体表面进行改性，得到了改性最佳工艺参数，分析了表面改性对SiC浆料分散稳定性的影响。结果表明：SiC微粉经硅烷偶联剂处理后没有改变原始SiC微粉的物相结构，只改变了其在水中的胶体性质；减少了微粉团聚现象。与原始SiC微粉相比，改性SiC微粉表面特性发生了明显变化，Zeta电位绝对值提高，浆料的分散稳定性得到了明显改善。 关键词：碳化硅；表面改性；硅烷偶联剂；分散性 中图分类号：TQ174 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2011)03–0409–05 Surface Modification of SiC Powder with Silane Coupling Agent TIE Shengnian，LI Xing (Non-Metallic Materials Institute of Qinghai University, Xining 810016, China) Abstract: The surface characteristics of SiC powder were modified by a KH-550 silane coupling agent. The process parameters of the modification were optimized, and the effect of surface modification on the dispersion stability of SiC slurry was analyzed. The results show that the SiC powder modified by silane coupling agent can not change the original phase structure of SiC micro-powders but reduce the aggregation of SiC particles in the powders. Compared to the original SiC powder, the surface characteristics of the modi-fied SiC powder change significantly. Zeta potential of SiC increases, and the dispersion stability of SiC slurry is improved. Key words: silicon carbide; surface modification; silane coupling agent; dispersibility 在半导体制造和煤气化工程领域，许多工程都在使用SiC陶瓷[1–2]。然而经机械粉碎后的SiC粉体形状不规则，且由于粒径小，表面能高，很容易发生团聚，形成二次粒子，无法表现出表面积效应和体积效应，难以实现超细尺度范围内不同相颗粒之间的均匀分散以及烧结过程中与基体的相容性，进而影响陶瓷材料性能的提高[3]。加入表面改性剂，改善SiC粉体的分散性、流动性，消除团聚，是提高超细粉体成型性能以及制品最终性能的有效方法之一。 SiC微粉的表面改性方法主要有酸洗提纯法、无机改性法和有机改性法等。国外SiC表面改性主要采用无机包覆改性方法[4–6]，在国内，SiC表面改性采用的方法主要为有机改性法[7]，有机体系的包覆改性大多是在粉体表面直接包覆有机高聚物。一般情况下，有机高聚物与无机粉体表面之间只产生物理吸附而不是牢固的化学吸附，改性效果不明显，而硅烷偶联剂是具有两性结构的化学物质，其分子的一端基团可与粉体表面的官能团反应，形成强有力的化学键合，另一部分可与有机高聚物基料发生化学反应，在粉体表面形成牢固的包覆层。 在机械力粉碎的基础上，采用KH-550硅烷偶联剂对粉碎后的SiC粉体表面进行有机包覆，提出了表面包覆的最佳工艺参数，并对改性SiC粉体进行表征，分析了改性对SiC陶瓷浆料分散性和流动性的影响。 1 实验 1.1 原料 实验选用自行加工的SiC粉体，D50=0.897μm，SiC含量为98.98% (质量分数，下同)；硅烷偶联剂(KH–550，化学纯，北京申达精细化工有限公司产)； 收稿日期：2010–09–25。修改稿收到日期：2010–10–30。 基金项目：青海省外经贸区域协调发展促进资金项目(2009–2160604)资助。第一作者：铁生年(1966—)，男，教授。Received date:2010–09–25. Approved date: 2010–10–30. First author: TIE Shengnian (1966–), male, professor. E-mail: Tieshengnian@https://www.doczj.com/doc/2715192356.html, 第39卷第3期2011年3月 硅酸盐学报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 39，No. 3 March，2011
常用硅烷偶联剂 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】
常用硅烷偶联剂——KH550、KH560、KH570、KH792、DL602 1.KH550 KH550硅烷偶联剂CAS号：919-30-2 一、国外对应牌号 A-1100（美国联碳），Z-6011（美国道康宁），KBM-903（日本信越）。本品有碱性，通用性强，适用于环氧、PBT、酚醛树脂、聚酰胺、聚碳酸酯等多种热塑性和热固性树脂。 二、化学名称分子式： 名称：γ-氨丙基三乙氧基硅烷 别名：3-三乙氧基甲硅烷基-1-丙胺 【3-TriethoxysilylpropylamineAPTES】， γ-氨丙基三乙氧基硅烷或3-氨基丙基三乙氧基硅烷 【3-AminpropyltriethoxysilaneAMEO】 分子式：NH 2(CH 2 ) 3 Si(OC 2 H 5 ) 3 分子量：221.37 分子结构： 三、物理性质: 外观：无色透明液体
密度（ρ25℃)：0.946 沸点：217℃ 折光率nD25:1.420 溶解性：可溶于有机溶剂，但丙酮、四氯化碳不适宜作释剂；可溶于水。在水中水解，呈碱性。 本品应严格密封，存放于干燥、阴凉、避光的室内。 四、KH550主要用途： 本品应用于矿物填充的酚醛、聚酯、环氧、PBT、聚酰胺、聚碳酸酯等热塑性和热固体树脂，能大幅度提高增强塑料的干湿态抗弯强度、抗压强度、剪切强度等物理力学性能和湿态电气性能，并改善填料在聚合物中的润湿性和分散性。 本品是优异的粘结促进剂，可用于聚氨酯、环氧、腈类、酚醛胶粘剂和密封材料，可改善颜料的分散性并提高对玻璃、铝、铁金属的粘合性，也适用于聚氨酯、环氧和丙烯酸乳胶涂料。 在树脂砂铸造中，本品增强树脂硅砂的粘合性，提高型砂强度抗湿性。 在玻纤棉和矿物棉生产中，将其加入到酚醛粘结剂中，可提高防潮性及增加压缩回弹性。 在砂轮制造中它有助于改进耐磨自硬砂的酚醛粘合剂的粘结性及耐水性。 2.KH560 一、国外对应牌号： A-187（美国联碳公司）。 KBM-403（日本信越化学工业株式会社） 二、化学名称及分子式 化学名称：γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷
硅烷偶联剂介绍
目录 1 硅烷偶联剂 (1) 有机硅烷偶联剂的选择原则 (3) 偶联剂用量 (4) 硅烷偶联剂作用机理 (5) 硅烷偶联剂使用方法 (6) 硅烷偶联剂分类与用途 (7) 硅烷偶联剂A-151 (7) 硅烷偶联剂A-171 (8) 硅烷偶联剂A-172 (9) 硅烷偶联剂KH-540 (9) 硅烷偶联剂KH-550 (10) 硅烷偶联剂KH-551 (10) 硅烷偶联剂KH-560 (11) 硅烷偶联剂KH-570 (12) 硅烷偶联剂KH-580 (13) 硅烷偶联剂KH-602 (13) 硅烷偶联剂KH-791 (14) 硅烷偶联剂KH-792 (15) 硅烷偶联剂KH-901 (16) 硅烷偶联剂KH-902 (16) 硅烷偶联剂nd-22 (17) 硅烷偶联剂ND-42(南大42) (17) 硅烷偶联剂ND-43 (17) 硅烷偶联剂SI-69 (18) 苯基三甲氧基硅烷 (18) 苯基三乙氧基硅烷 (19) 甲基三乙氧基硅烷 (20)
钛酸酯偶联剂 (20) 钛酸酯偶联剂101(钛酸酯TTS) (20) 钛酸酯偶联剂102 (21) 钛酸酯偶联剂105 (21) 有机硅烷偶联剂的选择原则 有机硅烷偶联剂的选择一般凭借对有机硅烷偶联剂侧试数据进行经脸总结，准确.地预测有机硅烷偶联剂是非常困难的。使用有机硅烷偶联剂后增大的键强度是一系列复杂因素的综合，如浸润、表面能、边界层的吸附、极性吸附，酸碱相互作用等. 预选有机硅烷偶联剂可遵循以下规津:不饱和聚醋可选用乙烯纂、环氧基及甲基丙烯陈氧基型有机硅烷偶联剂;环氧树脂宜选用环氧基或氨基型有机硅烷偶联剂;酚醛树脂宜选用氨基或服基型有机硅烷偶联剂;烯烃聚合物宜选用乙烯基型右机硅烷偶联剂;硫磺硫化的橡胶宜选用疏基型有机硅烷偶联剂等， 一、选用硅烷偶联剂的一般原则已知，硅烷偶联剂的水解速度取于硅能团Si-X，而与有机聚合物的反应活性则取于碳官能团C-Y。因此，对于不同基材或处理对象，选择适用的硅烷偶联剂至关重要。选择的方法主要通过试验，预选并应在既有经验或规律的基础上进行。例如，在一般情况下，不饱和聚酯多选用含CH2=CMeCOOVi及CH2-CHOCH2O的硅烷偶联剂：环氧树脂多选用含CH2CHCH2O及H2N硅烷偶联剂：酚醛树脂多选用含H2N及H2NCONH硅烷偶联剂：聚烯烃多选用乙烯基硅烷：使用硫黄硫化的橡胶则多选用烃基硅烷等。由于异种材料间的黏接强度受到一系列因素的影响，诸如润湿、表面能、界面层及极性吸附、酸碱的作用、互穿网络及共价键反应等。因而，光靠试验预选有时还不够精确，还需综合考虑材料的组成及其对硅烷偶联剂反应的敏感度等。为了提高水解稳定性及降低改性成本，硅烷偶联剂中可掺入三烃基硅烷使用；对于难黏材料，还可将硅烷偶联剂交联的聚合物共用。 硅烷偶联剂用作增黏剂时，主要是通过与聚合物生成化学键、氢键；润湿及表面能效应：改善聚合物结晶性、酸碱反应以及互穿聚合物网络的生成等而实现的。增黏主要围绕3种体系：即（1）无机材料对有机材料；（2）无机材料对无机材料；（3）有机材料对有机材料。对于第一种黏接，通常要求将无机材料黏接到聚合物上，故需优先考虑硅烷偶联剂中Y与聚合物所含官能团的反应活性：后两种属于同类型材料间的黏接，故硅烷偶联剂自身的反亲水型聚合物以及无机材料要求增黏时所选用的硅烷偶联剂。 硅烷偶联剂牌号偶联剂应用领 域 偶联剂作用 KH-540 KH-550 胶黏剂行业●提高粘接力及粘接寿命 ●在潮湿和干燥的条件下仍具有良好的粘结效果●更佳的耐溶剂性、提高储存寿命 KH-560 KH-570 KH-792 Si-602 Si-563 KH-540 KH-550 涂料行业●有机聚合物和无机表面之间的附着力促进剂●粘合体系的交联剂和固化剂，共聚单体 ●填料和颜料的分散剂 ●在抗刮和抗腐蚀涂料中充当粘结组分及涂层 KH-560 KH-570 KH-792 Si-602 Si-563 A-151
硅烷偶联剂改性纳米二氧化硅 概述 现代材料表面改性技术是一门由多种学科发展而来的技术组合，其发展经历了很长，很复杂的过程。表面改性技术通过对基体材料表面采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能。它包括化学热处理（渗氮、渗碳、渗金属等）、表面涂层（低压等离子喷涂、低压电弧喷涂）、激光重熔复合等薄膜镀层（物理气相沉积、化学气相沉积等）和非金属涂层技术等。这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性，使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件提高了可靠性、延长了使用寿命，具有很大的经济意义和推广价值。 纳米粉体是能够通过表面处理的方法来获得或者保持其特有的纳米粒子的特性，这种表面处理方法工业上称为包膜处理或表面改性处理。由于对纳米粉体的制造要求不同于常规无机粉体的制造要求，因此表面改性处理主要针对防止纳米粉体团聚，并帮助纳米粒子在应用体系中也以纳米形态存在，这个处理过程通常称为粉体改性处理，使用的表面处理剂称为有机改性剂。 近年来，用无机纳米SiO2粒子增韧改性聚合物和杂化材料的研究取得了显著效果。由于纳米SiO2具有表面界面效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应和特殊光、电特性，高磁阻现象以及其在高温下仍具有的高强、高韧、稳定性好等奇异特性，使纳米SiO2可广泛应用于各个领域，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。但同时由于纳米SiO2的粒径小、比表面积大、具有亲水基团(一OH)，表面活性高，稳定性差，使得颗粒之间极易相互团聚在聚合物中不易分散，并且由纳米效应引起的一系列优异特性会被减弱或消失。同时由于SiO2表面亲水疏油在有机介质中难以浸润和分散，直接填充到材料中，很难发挥其作用，为了避免此现象发生就需要在其颗粒表面进行接枝改性。常用的改性剂有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、超分散剂等。 一、实验目的 1）了解表面改性的目的、方法和基本原理。 2）掌握KH-520改性纳米二氧化硅制备方法及操作。 3）掌握改性纳米二氧化硅的表征方法。 二、实验原理 硅烷偶联剂是一类具有特殊结构的低分子有机硅化合物, 其通式为RSiX3,式 中R代表氨基、巯基、乙烯基、环氧基、氰基及甲基丙乙烯酰氧基等基团,这些基团和不同的基体树脂均具有较强的反应能力,X 代表能够水解的基团, 如卤素、烷氧基、酰氧基等。因此, 硅烷偶联剂既能与无机物中的羟基又能与有机聚合物中的长分子链相互作用, 使两种不同性质的材料偶联起来, 从而改善生物材料 的各种性能 硅烷偶联剂在两种不同性质材料之间的界面作用机理已有多种解释, 如化学键理论、可逆平衡理论和物理吸附理论等。但是, 界面现象非常复杂, 单一的理论往往难以充分说明。通常情况下，化学键合理论能够较好地解释硅烷偶联剂同无机材料之间地作用。根据这一理论，硅烷偶联剂在不同材料界面的偶联过程是一个复杂的液固表面物理化学过程。首先，硅烷偶联剂的粘度及表面张力低,
无机粉体的硅烷偶联剂改性 硅烷偶联剂是一类具有特殊结构的低分子有机硅化合物，其通式为RSiX3，式中R代表与聚合物分子有亲和力或反应能力的活性官能团，如氧基、硫基、乙烯基、环氧基、酰胺基、氨丙基等；X代表能够水解的烷氧基，如卤素、烷氧基、酰氧基等。 在进行偶联时，首先X基与水形成硅醇，然后与无机粉体颗粒表面上的羟基反应，形成氢键并缩合成-SiO-M共价键（M表示无机粉体颗粒表面）。同时，硅烷各分子的硅醇又相互缔合齐聚形成网状结构的膜覆盖在粉体颗粒表面，使无机粉体表面有机化。 1、硅烷偶联剂种类及适用对象 （1）硅烷偶联剂种类 根据分子结构中R基的不同，硅烷偶联剂可分为氨基硅烷、环氧基硅烷、硫基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、乙烯基硅烷、脲基硅烷以及异氰酸酯基硅烷等。 （2）硅烷偶联剂适用对象 硅烷偶联剂可用于许多无机粉体，如填料或颜料的表面处理，其中对含硅酸成分较多的石英粉、玻璃纤维、白炭黑等效果最好，对高岭土、水合氧化铝、氧化镁等效果也比较好，对不含游离酸的钛酸钙效果欠佳。 （3）硅微偶联剂选择 选择硅烷偶联剂对无机粉体进行表面改性处理时，一定要考虑聚合物基料的种类，也即一定要根据表面改性后无机粉体的应用对象和目的来仔细选择硅烷偶联剂。
2、硅烷偶联剂使用方法及用量 （1）硅烷偶联剂使用方法： 应用硅烷偶联剂的方法有两种： 一种是将硅烷配成水溶液，用它处理无机粉体后再与有机高聚物或树脂基料混合，即预处理方法，该方法表面改性处理效果好，是常用的表面改性方法。 另一种方法是将硅烷与无机粉体（如填料或颜料）及有机高聚物基料混合，即迁移法。 多数硅烷偶联剂在使用之前要配成水溶液，即使其预先水解。水解时间依硅烷偶联剂的品种和溶液的pH值不同而异，从几分钟到几十分钟不等。配置时水溶液的pH值一般控制在3-5之间，pH值高于5或低于3将会促进聚合物的生成。因此，已配置好的、已水解的硅烷偶联剂不能放置太久，否则会自行缩聚而失效。 （2）硅烷偶联剂用量计算： 硅烷偶联剂用量与偶联剂的品种及填料的比面积有关，假设为单分子层吸附，可按下式进行计算： 硅烷偶联剂用量=（填料质量×填料比表面积）/硅烷偶联剂最小包覆面积 硅烷偶联剂最小包覆面积以硅烷偶联剂的品种不同而异。一般来说，实际用量要小于用上述公式计算的用量。当不知道无机粉体的比表面积数据或硅烷偶联剂的最小包覆面积时，可将硅烷偶联剂用量选定为无机粉体质量的0.10%-1.5%。 大多数硅烷偶联剂既可以用于干法表面改性，也可以用于湿法表面改性。
硅烷偶联剂的使用方法 硅烷偶联剂含两个活性官能团，可分别与有机物和无机物起反应，能改善填料与高分子之间界面特性。 用途功能 玻纤、玻璃钢：提高复合材料湿态物理机械强度、湿态电气性能，并 改善玻纤的集束性、保护性和加工工艺。 胶粘剂和涂料：提高湿态下的粘合力、耐候性，改善颜料分散性，提高耐磨 性和树脂的交联。 铸造：提高树脂砂的强度。以实现高度、低发气。 工程塑料：改善了玻纤等填料与树脂之间的粘合，显著提高了增强塑料的机械性能。 橡胶：提高制品机械强度、耐磨性、湿态电气性能和流变性。 密封胶：提高湿态的粘合力，提高填料的分散性，制品耐磨性。 纺织：令纺织品柔软丰满、提高其防水性、以及对染料的粘合力。 印刷油墨：提高粘合力的浸润性。 填料表面处理：在树脂中提高填料和树脂的相容性、浸润性、分散性。 交联聚乙烯：用于交联聚乙烯电缆及热水管增强强度。耐用性及使用寿命。 硅烷偶联剂应用方法 硅烷偶联剂的使用方法主要有表面预处理法和直接加入法，前者是用稀释的偶联剂处理填料表面，后者是在树脂和填料预混时，加入偶联剂的原液。硅烷偶联剂配成溶液，有利于硅烷偶联剂在材料表面的分散，溶剂是水和醇配制成的溶液，溶液一般为硅烷（20%）、醇（72%）、水（8%），醇一般为乙醇（对乙氧基硅烷）甲醇（对甲氧基硅烷）及异丙醇（对不易溶于乙醇、甲醇的硅烷）因硅烷水解速度与PH值有关，中性最慢，偏酸、偏碱都较快，因此一般需调节溶液的PH值（注意：氨基硅烷如550，602，792无需加酸调节），其他硅烷可加入少量醋酸，调节PH值至4—5，氨基硅烷因具碱性，不必调节。因硅烷水解后，不能久存，最好现配现用，最好在一小时内用完。 下面是一些具体应用，以供用户参考：