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硅烷偶聯劑在新材料中的應用
有機硅烷偶聯劑是一類重要的化工材料，在材料科學中有著重要的應用。有機硅烷偶聯劑分子的一端是典型的活性有機基團，如雙鍵，環氧基，氨基等；另一端是可以水解的烷氧基，如甲氧基，乙氧基，能通過水解，縮合反應與無機材料形成-Si-0-橋鍵。所以，偶聯劑可以改善復合材料（如玻璃纖維、聚合物復合材料）中組份間的界面結合，提高材料的力學能。雖然，自偶聯劑問世以來的40余年里，其用量和使用范圍不斷， 品種也在增加，但目前的應用仍主要限于纖維增強或顆粒填充的聚合物基復合材料，用以改善界面結合。這類復合材料多用作結構件。由于傳統復合材料中界面所占比例有限，所以，偶聯劑的用量不大，僅占材料總體積的1-2%。有關這方面的應用技術比較成熟。近年來，溶膠-凝膠法在新材料研究中的應用受到人們的普遍關注，尤其用該法制備分子水平上混合的有機-無機雜化材料及納米相復合材料更使人耳目一新。與傳統的復合材料比較，此類材料具有一些特殊的性能，常被用作功能材料。有機硅烷偶聯劑以其獨特的分子結構和性能，在此類材料中起著重要的作用，使用量也大為增加。本人介紹三種最常用有機硅烷偶聯劑在溶膠-凝膠法制備有機-無機雜化材料中的應用情況，并討論相應雜化材料的制備方法和性能。
1、甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷（MPTMS）
有機-無機雜化材料的應用之一是可以摻入有機染料，作為固態激光器的工作物質。以摻入羅丹明6G（濃度50*10-4mol/dm3）的材料為例，原料中偶聯劑占相當大的比例（見表1）。原料中的乙烯基單體MMA既可自聚，也可以與MPTMS共聚，構成材料中的有機部分，TEOS和偶聯劑分子中可水解的甲氧基，過過溶膠-凝膠過程形成材料的無機部分Si02,MTPMS分子中穩定的Si-C鍵把有機與無機兩部分連接起來。另以偶聯劑GPTMS帶有環氧基團，水解形成的二醇結構利于有機染料的溶膠和分散。
單就用MPTMS制備有機-無機雜化材料的方法來說，也不盡相同。方法之一是先使MPTMS與TEOS或其它金屬醇鹽進行預水解，然后加入溶于適當溶劑的聚合物如PMMA，就可以形成有機聚合物改性的無機氧化物材料。在制備PMMA改性的Al2O3-SiO2時，PMMA含量高于20%時，才不會發生宏觀相分離，形成透明材料。另一方法是先使MPTMS與烯類有機單體共聚合，形成帶有可水解烷氧基的有機聚合物，該聚合物與TEOS一起經水解，縮合生成雜化材料，如：
水解過程可用無機酸催化，也可以用光化學方法催化。這里應適當控制聚合物中MPEMS含量和聚合物的分子量，如在制備PS與SiO2的雜化材料時，共聚物中MPEMS單體單元少于22%（mol）時，溶膠-凝膠過程中發生相分離，所得材料不透明。
偶聯劑的獨特作用在雜化材料的另一制備方法中表現得尤為突出。該法用MMA浸漬納米孔二氧化硅凝膠，并使之原位聚合，得到透明的PMMA-SiO2雜化材料，可以想見，PMMA與SiO2之間無化學鍵合。若在浸漬MMA之前先用偶聯劑MPTMS處理多孔硅膠，就可以在孔壁上形成偶聯劑的單分子層，偶聯劑分子上的活性基因（>C==C<）能與MMA聚合，其結果是使雜化材料的模量比未處理時提高43%。處理方法與對玻璃纖維表面處理類似，原理也相同，差別在于多孔硅膠的比表面積相當大。理論計算表明，雜化材料中MPTMS分子的體積含量可達20.8%。
2 . 3-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）
GPTMS的活性有機基團是環氧基。它與硅酸酯以及其它金屬醇鹽共同進行的水解、縮合過程可表示為：
得到的雜化材料用作塑料的表面涂層，可以提高表面硬度和改善抗擦傷性。如用50%~70%（mol）的GPTMS，10%~30%（mol）的TEOS以及10%~20%（mol）的金屬（如TI，Zr，Al）醇鹽，可以得到穩定的涂層溶液，進而制備出性能良好的透明涂層。含鋁涂層具有較高的硬度和抗擦傷性。我們在PMMA表面制備了有機改性的SiO2涂層和TiO2-SiO2涂層，使表面硬度明顯提高，并有增透作用，其中前者增透效果顯著，后者硬度提高。
近來還有報道，將GPTMS用于制備色譜柱，取得了滿意的結果。
3、7-胺丙基三乙氧基硅烷（APTES）
半導體（如CdS）量子點材料在非線性光學方面的應用前景很好。由溶膠-凝膠法的道德有機-無機雜化材料可作為其基體，如前述。APTES除了構成材料的一部分外，還被用來控制量子點的尺寸和粒徑分布，以獲得特定的性能。
在制備多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜時，可用APTES控制孔徑，調節透過率。在光學塑料CR-39上制備上節所述的耐磨涂層時，涂層與基底的結合欠佳，若用APTES預先處理CR-39表面，可以使涂層與基底結合牢固。
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