偶联剂及偶联剂在填料中的应用讲解

偶联剂的种类和特点及应用偶联剂的种类和特点及应用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助剂。

偶联剂分子结构的最大特点是分子中含有化学性质不同的两个基团,一个是亲无机物的基团,易与无机物表面起化学反应;另一个是亲有机物的基团,能与合成树脂或其它聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中。

因此偶联剂被称作“分子桥”,用以改善无机物与有机物之间的界面作用,从而大大提高复合材料的性能,如物理性能、电性能、热性能、光性能等。

偶联剂用于橡胶工业中,可提高轮胎、胶板、胶管、胶鞋等产品的耐磨性和耐老化性能,并且能减小ＮＲ用量,从而降低成本。

偶联剂的种类繁多,主要有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、双金属偶联剂、磷酸酯偶联剂、硼酸酯偶联剂、铬络合物及其它高级脂肪酸、醇、酯的偶联剂等,目前应用范围最广的是硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂。

1 硅烷偶联剂硅烷偶联剂是人们研究最早、应用最早的偶联剂。

由于其独特的性能及新产品的不断问世,使其应用领域逐渐扩大,已成为有机硅工业的重要分支。

它是近年来发展较快的一类有机硅产品,其品种繁多,结构新颖,仅已知结构的产品就有百余种。

1945年前后由美国联碳(ＵＣ)和道康宁(ＤｏｗＣｏｒｎｉｎｇ)等公司开发和公布了一系列具有典型结构的硅烷偶联剂;1955年又由ＵＣ公司首次提出了含氨基的硅烷偶联剂;从1959年开始陆续出现了一系列改性氨基硅烷偶联剂;20世纪60年代初期出现的含过氧基硅烷偶联剂和60年代末期出现的具有重氮和叠氮结构的硅烷偶联剂,又大大丰富了硅烷偶联剂的品种。

近几十年来,随着玻璃纤维增强塑料的发展,促进了各种偶联剂的研究与开发。

改性氨基硅烷偶联剂、过氧基硅烷偶联剂和叠氮基硅烷偶联剂的合成与应用就是这一时期的主要成果。

我国于20世纪60年代中期开始研制硅烷偶联剂。

首先由中国科学院化学研究所开始研制γ官能团硅烷偶联剂,南京大学也同时开始研制α官能团硅烷偶联剂[1]。

偶联剂在常用树脂与填料配方体系中偶联剂是一种能够在聚合物与填料之间形成化学键，并增强聚合物填料界面相互作用的材料。

在常用的树脂与填料配方体系中，偶联剂的添加通常能够显著改善复合材料的性能，提高材料的力学性能、热稳定性、耐候性等。

一般来说，在填充聚合物复合材料中，偶联剂的主要功能包括以下几个方面：1.增强填料与树脂之间的化学键结合：偶联剂能够与树脂和填料表面发生化学反应，形成强有力的化学键，从而增强填料与树脂之间的结合力。

这种化学键结合可以有效地提高复合材料的强度、刚度和耐磨性等性能。

2.提高填料的分散性：由于填料的颗粒大小和形状的不均匀性，常常会导致填料在树脂中的分散性较差，从而影响到复合材料的性能。

偶联剂的添加可以改善填料在树脂中的分散性，使填料颗粒更均匀地分布在树脂基体中，从而提高复合材料的力学性能和热稳定性。

3.防止填料的析出现象：在一些填充聚合物复合材料中，由于填料与树脂之间的相互作用不够强，填料往往易于从树脂基体中析出。

偶联剂的添加可以增强填料与树脂之间的相互作用，防止填料的析出现象，提高复合材料的稳定性和使用寿命。

目前常用的偶联剂主要有以下几种：1.硅烷偶联剂：硅烷偶联剂是最常用的偶联剂之一，其分子内同时具有有机基团和硅基团，可以在填料表面和树脂基体中形成强有力的化学键。

硅烷偶联剂的优点是具有很强的黏附力和耐高温性能，适用于各种树脂和填料体系。

2.磷酸酯偶联剂：磷酸酯偶联剂在填料表面和树脂基体中形成的化学键主要是磷酸酯键，其优点是具有很强的耐热性和耐化学腐蚀性，适用于一些要求高温稳定性和耐腐蚀性的复合材料。

3.咪唑偶联剂：咪唑偶联剂主要通过其分子内含有的咪唑环与填料表面反应，形成化学键，从而增强填料与树脂之间的结合力。

咪唑偶联剂能够提高复合材料的耐温性和耐水性，适用于一些高温环境和潮湿环境下的应用。

同时，偶联剂的添加量需要根据具体的树脂和填料体系以及所需要的复合材料性能进行优化。

在实际应用中，需要通过试验和研究确定最佳的偶联剂添加量，以获得最理想的复合材料性能。

偶联剂及偶联剂在填料中的应用1. 偶联剂的概念和作用1.1 偶联剂的概念偶联剂，即通过化学反应，使填料表面介质和催化剂吸附在一起，从而加强两者的相互作用的一种化学物质。

偶联剂有机活性物质，常由一个或多个活性羟基团、羧基团、胺基团等官能团连接而成。

它可以通过化学键的形式与填料表面的羟基、胺基等活性位点反应，在填料表面构建化学键，增加催化剂和催化剂载体的结合力，从而提高催化剂的稳定性、活性和选择性。

1.2 偶联剂的作用偶联剂作为催化剂载体表面的活性化合物，能够促进催化剂和催化剂载体的结合，有利于提高催化剂的稳定性、活性以及选择性，从而实现催化反应的高效进行。

2. 偶联剂在填料中的应用在催化剂制备过程中，选用合适的偶联剂可以提高催化剂的性能，特别是在填料中应用，偶联剂的作用更加明显。

2.1 偶联剂的应用方式偶联剂在填料中的应用方式主要有以下几种。

2.1.1 包覆法将偶联剂和催化剂混合，涂覆在填料载体上，通过化学反应将两者牢固结合在一起。

采用包覆法的优点是能够在填料表面生成高密度的活性位点，提高催化剂的活性和稳定性。

2.1.2 架桥法将偶联剂以分子桥的形式加入到填料载体内部，在活性位点与催化剂结合时，形成一个稳定的化学桥梁。

采用架桥法的优点是能够有效地促进催化剂和催化剂载体的结合，从而提高催化剂的稳定性和选择性。

2.1.3 热浸渍法在填料中引入偶联剂时，通过热浸渍法的方式，将催化剂与偶联剂混合，并溶解在有机溶剂中。

然后将填料浸泡在溶液中，使偶联剂和催化剂均匀地分布在填料表面上，并通过热处理使其生成化学键。

2.2 偶联剂在不同催化反应中的应用2.2.1 氢气化反应氢气化反应是一种重要的催化反应，是化工工业中广泛应用的催化反应之一。

在催化剂制备过程中，采用偶联剂可以有效地提高催化剂的稳定性和活性，从而提高催化剂的选择性和产率。

2.2.2 烷基化反应烷基化反应是一种重要的化学反应，广泛应用于烷烃的生产和化学物质的合成。

硅烷偶联剂在涂料中的应用技术1.硅烷在涂料与油墨中的应用硅烷由于其特殊的的结构组成，被成功用于黏结促进剂、表面处理剂已经几十年了现在硅烷已经逐渐成为涂料、油墨系统中不可缺少的组成份。

无论是作为添加剂或单独涂层底漆，都会赋予涂料、油墨绝佳的性能。

硅烷是拥有双官能基团的分子结构，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，常与涂料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。

硅醇官能团和硅烷的有机官能团的反应基团可以决定硅烷在涂料体系中起什么作用。

硅烷在涂料和油墨中的作用：------提高涂层附着力。

------提高涂层的耐久性。

------提高涂层的耐候性。

------提高涂层的坚韧性。

------显著降低填料和颜料的分散粘度，提高颜料分散性2.硅烷在底漆中的的应用硅原子的共价键具有结合有机物和无机物独一无二的能力，硅氧内部与生俱来的稳定结构，使其成为高性能涂料底漆的重要组成部分。

在底漆中运用硅烷偶联剂可以提高其粘连性、保持其湿度、化学性、防紫外线和增强性；改进填料的分散性。

烷氧基硅烷可以与许多有机树脂相容。

事实上，硅烷是很强的极性溶剂，硅烷的聚合作用又来影响聚合物的相容性和最终性质。

在有机聚合物和无机物的表面（比如，颜料、填料和玻璃、金属表面），无机烷氧官能团以共价键的形式偶联的大量有机基。

硅烷的有机官能团只要找到与其匹配的有机聚合物就会产生绝佳的效果。

3.硅烷作为附着力促进剂当涂料中含有少量硅烷偶联溶剂，在其涂布后，硅烷会迁移到涂料与底材的界面，与无机表面上的水分反应，水解生成硅醇基，进而与底材表面羟基形成氢键或缩合成—Si—M（M为无机表面），同时硅烷各分子间的硅醇基又相互缩合、齐聚形成网状结构的膜覆盖在底材表面。

有机硅偶联剂概述及其作用机理总结一、偶联剂概述偶联剂是一种具有特殊结构的有机硅化合物。

在它的分子中，同时具有能与无机材料(如玻璃、水泥、金属等)结合的反应性基团和与有机材料(如合成树脂等)结合的反应性基团。

常用的理论有化学键理论、表面浸润理论、变形层理论、拘束层理论等。

偶联剂作表面改性剂，用于无机填料填充塑料时，可以改善其分散性和黏合性。

二、偶联剂种类偶联剂主要有有机铬偶联剂、有机硅偶联剂和钛酸偶联剂。

胶黏剂中常选用有机硅偶联剂，其通式为RSiX3，其中R为有机基团，如-C6H5、-CH=CH2等，能与树脂结合；X为可以水解的基团，如-OCH3、-OC2H5、-Cl等。

三、偶联剂作用过程B•Arkles根据偶联剂的偶联过程提出了4步反应模型，即：①与硅原子相连的SiX基水解，生成SiOH；②Si-OH之间脱水缩合，生成含Si-OH的低聚硅氧烷；③低聚硅氧烷中的SiOH与基材表面的OH形成氢键；④加热固化过程中，伴随脱水反应而与基材形成共价键连接。

一般认为，界面上硅烷偶联剂水解生成的3个硅羟基中只有1个与基材表面键合；剩下的2个Si-OH，或与其他硅烷中的Si-OH缩合，或呈游离状态。

因此，通过硅烷偶联剂可使2种性能差异很大的材料界面偶联起来，从而提高复合材料的性能和增加黏结强度，并获得性能优异、可靠的新型复合材料。

硅烷偶联剂广泛用于橡胶、塑料、胶黏剂、密封剂、涂料、玻璃、陶瓷、金属防腐等领域。

现在，硅烷偶联剂已成为材料工业中必不可少的助剂之一。

硅烷偶联剂的作用和效果以被人们认识和肯定，但界面上极少量的偶联剂为什么会对复合材料的性能产生如此显著的影响，现在还没有一套完整的偶联机理来解释。

偶联剂在两种不同性质材料之间界面上的作用机理已有不少研究，并提出了化学键合和物理吸着等解释。

其中化学键合理论是最古老却又是迄今为止被认为是比较成功的一种理论。

四、偶联剂作用理论1.化学结合理论该理论认为偶联剂含有一种化学官能团，能与玻璃纤维表面的硅醇基团或其他无机填料表面的分子作用形成共价键；此外，偶联剂还含有一种别的不同的官能团与聚合分子键合，以获得良好的界面结合，偶联剂就起着在无机相与有机相之间相互连接的桥梁似的作用。

在选用偶联剂之前，应首先测定所用填充剂的含湿性，根据含湿状态和前述各类钛酸酯的特性决定具体品种，干燥填充剂宜用单烷氧基型，潮湿填充剂可选螯合型或单烷氧基焦磷酸型。

在选用偶联剂时还应考虑聚合物的熔点，结晶度、分子量、极性、芳香性、脂脚性、共聚结构等，对于热固性聚合物还要考虑到其固化温度和固化机理。

填充剂的形状、比表面、湿含量、酸碱性、化学组成等都可影响偶联效果。

一般粗粒子填充剂偶联效果不及细粒子好但对超微细（如CaCO3≥2000目）填充剂效果则有相反现象。

偶联剂的用量，一般为处理物重量的0.5--3%，推荐使用量为0.8---1.5%。

其用量与效果并非是正比关系，量太多则偶联剂过剩反而使性能下降，（在塑料中使拉伸、抗冲击等指标下降，在涂料中，会使附着力大为降低等）量太少，则因包复不完全，效果不显著。

所以在应用时要试验出最佳用量，做到既经济又有效。

由于钛酸酯偶联剂用量少，为使其发挥应有的效果，必须使它在填料（或颜料等处理物）中均匀地分散，否则，达不到偶联效果。

使用方法：1、混合法：就是把聚合物、填料或颜料及其它助剂和偶联剂直接混合，此法比较简便，不要增加设备和改变原加工工艺，缺点是分散不够理想，因其它助剂与偶联剂有竞争反应。

2、预处理法：先把填料或颜料用偶联剂进行预处理，然后再和聚合物及其它助剂进行加工混合。

此法有许多优点，特别适用于聚合物组份比较复杂或加工温度比较高的某些工程塑料，可以防止不必要的副反应发生，偶联剂和填料进行预处理后其分解点就大为提高。

本法又可以分为：①干混合法：为了使少量钛酸酯均匀地包复在颜、填料表面，一般加入少量稀释剂，和偶联剂的用量比在1比1的情况下，就能够使少量的钛酸酯均匀分布在填料表面，不用稀释剂就不能均匀的包复好填料，此稀释剂可采用原工艺配方中的溶剂、润滑剂。

如在塑料工业可选用白油（液体石蜡），在橡胶工业选用机油，在涂料工业选用200#溶剂油或异丙醇等，其处理设备，一般选用高速捏合机，即填料在高速搅出料备用（注意冷却，否则容易引起局部过热使填料变色而且填充性能下降）。