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硅烷偶聯(lián)劑在新材料中的應(yīng)用研究
硅烷偶聯(lián)劑的應(yīng)用
南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專(zhuān)業(yè)
摘要：硅烷偶聯(lián)劑由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，越來(lái)越受到人們的喜歡，在硅烷偶聯(lián)劑產(chǎn)生到應(yīng)用已經(jīng)有很多年了，隨著新材料的研究成為熱門(mén)，硅烷偶聯(lián)劑在其中扮演著十分重要角色，本文簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單介紹一下硅烷偶聯(lián)劑在新材料中的應(yīng)用研究，具體的是偶聯(lián)劑在光材料，納米材料，復(fù)合材料，電化學(xué)材料，烤瓷中的應(yīng)用。 關(guān)鍵字：硅烷偶聯(lián)劑 新材料
一．硅烷偶聯(lián)劑的組成和作用機(jī)理：
硅烷偶聯(lián)劑是一類(lèi)具有特征結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅化合物，可以表示為：Y-R-SiX3：表達(dá)式中的Y表示可以與有機(jī)物起反應(yīng)的基團(tuán)，比如乙烯基，苯基，氨基等，R是短鏈烷撐基，通過(guò)它把Y和SiX3連接起來(lái)，X是可以水解生成Si-OH的基團(tuán)，可以使鹵素，乙酰基等。可以形象地表示成：無(wú)機(jī)材料-分子橋-有機(jī)材料。
硅烷偶聯(lián)劑的作用機(jī)理有五種理論：化學(xué)鍵理論，表面浸潤(rùn)理論，變形層理論，拘束層理論和可逆水解鍵理論。
二，硅烷偶聯(lián)劑在新材料中的應(yīng)用研究：
硅烷偶聯(lián)劑的應(yīng)用面極廣，可以處理有機(jī)材料，也可以處理無(wú)機(jī)材料。通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑的處理后材料的某些性能會(huì)得到顯著提高。以下介紹幾種硅烷偶聯(lián)劑的在新材料中的具體應(yīng)用研究。
1.硅烷偶聯(lián)劑在光材料中的應(yīng)用研究：
西安交大重點(diǎn)研究了硅烷偶聯(lián)劑對(duì)太陽(yáng)電池鋁漿性能的影響及分析，他們重點(diǎn)研究了添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（硅烷偶聯(lián)劑）（0.5%-3.0%）對(duì)鋁漿有機(jī)載體的表面張力、鋁膜表面劃痕、起灰、導(dǎo)電性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)w（硅烷偶聯(lián)劑）為2.5%時(shí)，有機(jī)載體的表面張力可從約30 mN/m 降低至25.69 mN/m，提高了鋁粉顆粒之間以及鋁膜與硅片之間的黏附
硅烷偶聯(lián)劑
作用，從而減少劃痕和灰化，進(jìn)而可使鋁電極的接觸電阻由0.60 Ω 降低至0.19 Ω。[1]
而又有學(xué)者將目光對(duì)準(zhǔn)了玻璃的發(fā)光性能，而這種玻璃是硅烷偶聯(lián)劑改性的芪3 摻雜鉛-錫-氟磷酸鹽的玻璃，具體的操作是：采用溶有芪3 的硅烷偶聯(lián)劑KBM403對(duì)SnF2粉末進(jìn)行改性, 經(jīng)改性的SnF2 粉末有利于提高有機(jī)染料芪3 摻雜的分散性。將含有芪3的改性SnF2 粉末摻入低熔點(diǎn)鉛錫氟磷酸鹽玻璃,獲得了芪3摻雜的有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化玻璃。這種玻璃有更好的
投射性和均勻性。[2]
2.硅烷偶聯(lián)劑在納米級(jí)材料及復(fù)合材料中應(yīng)用研究：
復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能，越來(lái)越受到大家的青睞。但是復(fù)合材料的固有缺點(diǎn)不能消除。通過(guò)利用硅烷偶聯(lián)劑的加入可以制備性能更佳的復(fù)合材料。納米材料中加入偶聯(lián)劑后就像增強(qiáng)體一樣，可以顯著提高材料性能。
用硅酸鈉制備納米SiO2乳液,用氯化銨控制粒徑大小,然后與天然膠乳共混共沉制備出SiO2/NR復(fù)合材料。采用SEM 對(duì)SiO2 / NR 復(fù)合材料斷面進(jìn)行分析, 觀察SiO2 粒子大小和形態(tài), 并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明, 經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理的納米SiO2 在復(fù)合材料中分散均勻,力學(xué)性能較好。[3]除了無(wú)機(jī)復(fù)合材料，在納米氧化鋅制備中也加入了硅烷偶聯(lián)劑，采用的硅烷偶聯(lián)劑有KH550、KH 560、KH 570對(duì)納米ZnO進(jìn)行了改性, 研究表明硅烷偶聯(lián)劑KH570改性效果較好。紅外光譜、熱重分析研究表明改性后納米ZnO 粉體表面包覆了KH 570;
通過(guò)XRD衍射，TEM分析可知改性后納米ZnO 粉體的晶型沒(méi)有發(fā)生明顯改變但分散性變好。[4]
除了制備納米級(jí)的材料的研究，在復(fù)合材料中也有應(yīng)用，如偶聯(lián)劑在復(fù)合水泥砂漿中應(yīng)用研究，他們采取了統(tǒng)一變量法，研究了硅烷偶聯(lián)劑對(duì)普通水泥砂漿、聚合物改性水泥砂漿、摻鋼纖維水泥砂漿和摻鋼纖維聚合物改性水泥砂漿性能的影響,研究結(jié)果表明,0.5%-1%硅烷偶聯(lián)劑的水溶液能較大幅度地提高多種復(fù)合水泥砂漿的抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,且能提高普通水泥砂漿和聚合物改性水泥砂漿的稠度,但會(huì)使其分層度略有增大.[5]又如在廢EMC粉/PVC復(fù)合材料，具體制備是：采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550對(duì)廢環(huán)氧模塑料粉(廢EMC粉)進(jìn)行表面改性并制備了相應(yīng)的改性廢EMC粉/PVC復(fù)合材料,對(duì)材料的力學(xué)性能測(cè)試，表明了拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別比未改性時(shí)提高了很多，而且也大大改善了廢EMC 粉和PVC之間的相容性, 提高了界面結(jié)合強(qiáng)度。[6]對(duì)于硅烷偶聯(lián)劑在膨脹阻燃聚丙烯復(fù)合體系中的應(yīng)用研究表明了：當(dāng)A-172（乙烯基硅烷偶聯(lián)劑）/IFR（膨脹阻燃劑）/PP為0.5/22.5/77.5時(shí)，體系的力學(xué)性能基本不變，但阻燃性能得到了改善。其中氧指數(shù)同比提高了22.5%，體系的熱釋放速率峰值和煙釋放速率峰值同比分別下降了9.7%和98.75%。[7]同樣對(duì)于瀝青路用性能的研究表明：隨硅烷偶聯(lián)劑用量增加, 復(fù)合瀝青混合料在7d 和28d 齡期的路用性能先提高后降低, 當(dāng)用量為乳化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.6%時(shí), 混合料凍融劈裂強(qiáng)度比、馬歇爾穩(wěn)定度和抗壓回彈模量等路用
性能提高了10%~ 30%。[8]
華南理工大學(xué)研究了表面活性劑和硅烷偶聯(lián)劑有機(jī)復(fù)合改性蒙脫土的制備及性能表征，為增加蒙脫土與有機(jī)物的相容性, 采用十六烷基三甲基溴化銨( CTAB)與硅烷偶聯(lián)劑(KH2560)對(duì)蒙脫土進(jìn)行了有機(jī)復(fù)合改性。表面活性劑和硅烷偶聯(lián)劑有機(jī)復(fù)合改性的蒙脫土不僅增大了層間距, 且改善了與PVC的界面效果, 提高了在PVC基體中的分散均勻性, 所以其與PVC熔融共混后的復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的增幅最大, 力學(xué)性能的改善也更明顯。[9]
3.硅烷偶聯(lián)劑在電化學(xué)材料中的應(yīng)用研究：
硅烷偶聯(lián)劑對(duì)于電化學(xué)材料的影響的研究不是特別多，華南師范大學(xué)研究了硅烷偶聯(lián)劑在鎂電極固封中的作用，他們采用了浸涂工藝，用W-78和A-1200硅烷偶聯(lián)劑對(duì)金屬鎂進(jìn)行表面處理，然后固封制備得到鎂電極，采用對(duì)比分析得到的結(jié)果是兩種硅烷偶聯(lián)劑都可以改善鎂電極的性能，其中A-1200效果更好。[10]中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所則是對(duì)硅烷偶聯(lián)劑對(duì)羰基鐵粉電磁性能的影響進(jìn)行了研究，他們利用FT-IR, SEM 和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等對(duì)羰基鐵粉改性前后的化學(xué)鍵特性、微觀形貌和電磁參數(shù)等進(jìn)行了研究,研究結(jié)果是羰基鐵粉表面包覆乙烯基三甲氧基硅烷的低聚物后, 降低了顆粒間的吸引力, 增加了與有機(jī)基體材料的潤(rùn)濕性,分散性得到明顯改善。改性后復(fù)介電常數(shù)實(shí)部、虛部、復(fù)磁導(dǎo)率虛部都有不同程度的減小,復(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部在低頻減小,高頻沒(méi)有變化。當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑用量為2. 0% 時(shí),計(jì)算得到改性羰基鐵粉的吸波性能最好,反射率最小達(dá)到-37.7dB,反射率均小于-10dB的頻率帶寬達(dá)到
4.8GHz。[111
4.硅烷偶聯(lián)劑在牙科中的應(yīng)用：
隨著生活水平的提高，飲食的不注意導(dǎo)致蛀牙的概率大增，為此人們用烤瓷進(jìn)行補(bǔ)牙，而烤瓷的性能在補(bǔ)牙中起很大作用，它要承受巨大的抗擊力，同時(shí)要與牙齒有很好的粘合力，而硅烷偶聯(lián)劑正好可以完成這項(xiàng)任務(wù)。
第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院修復(fù)科的主任郭航和他的團(tuán)隊(duì)研究了硅烷偶聯(lián)劑及自酸蝕粘結(jié)劑對(duì)VitaMarkⅡ與牙本質(zhì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響，具體方法是將切割好的72 個(gè)瓷片經(jīng)打磨酸蝕后隨機(jī)分為2 組：實(shí)驗(yàn)組應(yīng)用硅烷偶聯(lián)劑，對(duì)照組無(wú)處理。每組再分4 個(gè)亞組，與4 種粘結(jié)材料(RelyX Veneer、Panavia F、RelyX Unicem 和FL- BOND+Beautifil Flow)粘結(jié)，萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)其剪切強(qiáng)度，掃描電鏡觀察粘結(jié)界面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)照組中RelyX Veneer、Panavia F 和RelyX Unicem的剪切強(qiáng)度顯著高于FL- BOND+Beautifil Flow的剪切強(qiáng)度(P< 0.05)。實(shí)驗(yàn)組中4 種粘結(jié)材料間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P > 0. 05)。硅烷偶聯(lián)劑的應(yīng)用提高
[12] 了4 種粘結(jié)材料的剪切強(qiáng)度。最終得出的結(jié)論是硅烷偶聯(lián)劑可提高M(jìn)arkⅡ瓷的粘結(jié)強(qiáng)度。
另外貴州醫(yī)學(xué)院的張軍梅和她的團(tuán)隊(duì)則是進(jìn)行了四種烤瓷合金與復(fù)合樹(shù)脂粘接強(qiáng)度的對(duì)比觀察實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法則是選擇臨床常用的4種烤瓷合金(金合金、銀鈀合金、鈦合金、鎳鉻合金)，對(duì)其表面打磨、酸蝕后隨機(jī)分為兩組。實(shí)驗(yàn)組用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理，對(duì)照組不處理，然后均用Voco Cimara崩瓷修復(fù)系統(tǒng)粘接修復(fù)。經(jīng)37 cC恒溫水浴24 h后，用萬(wàn)能測(cè)試機(jī)測(cè)定合金與復(fù)合樹(shù)脂的剪切強(qiáng)度，用掃描電鏡觀察剪切后的斷面。最終得到的結(jié)論與銀鈀合金、鈦合金、鎳鉻合金相比，金合金與復(fù)合樹(shù)脂粘接強(qiáng)度最大。[13]而南昌大學(xué)醫(yī)學(xué)院碩士生則是進(jìn)行了不同偶聯(lián)劑和粘結(jié)劑對(duì)烤瓷瓷面與金屬托槽抗剪切強(qiáng)度影響的體外研究，在他的論文里得到的結(jié)論是硅烷偶聯(lián)劑能有效增加烤瓷瓷面和金屬托槽之間的抗剪切強(qiáng)度，單組份硅烷偶聯(lián)劑和雙組份硅烷偶聯(lián)劑作用沒(méi)有顯著性差異。光固化復(fù)合樹(shù)脂粘結(jié)劑與雙組份硅烷偶聯(lián)劑合用可獲得最大的抗剪切強(qiáng)度。樹(shù)脂改良型光固化玻璃離子粘結(jié)劑不適合用于金
[14] 屬托槽與烤瓷瓷面的粘結(jié)。
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