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硅烷偶聯劑在新材料中的應用研究
硅烷偶聯劑的應用
南京師范大學化學與材料科學學院應用化學專業
摘要：硅烷偶聯劑由于其獨特的結構，越來越受到人們的喜歡，在硅烷偶聯劑產生到應用已經有很多年了，隨著新材料的研究成為熱門，硅烷偶聯劑在其中扮演著十分重要角色，本文簡單簡單介紹一下硅烷偶聯劑在新材料中的應用研究，具體的是偶聯劑在光材料，納米材料，復合材料，電化學材料，烤瓷中的應用。 關鍵字：硅烷偶聯劑 新材料
一．硅烷偶聯劑的組成和作用機理：
硅烷偶聯劑是一類具有特征結構的有機硅化合物，可以表示為：Y-R-SiX3：表達式中的Y表示可以與有機物起反應的基團，比如乙烯基，苯基，氨基等，R是短鏈烷撐基，通過它把Y和SiX3連接起來，X是可以水解生成Si-OH的基團，可以使鹵素，乙?；?。可以形象地表示成：無機材料-分子橋-有機材料。
硅烷偶聯劑的作用機理有五種理論：化學鍵理論，表面浸潤理論，變形層理論，拘束層理論和可逆水解鍵理論。
二，硅烷偶聯劑在新材料中的應用研究：
硅烷偶聯劑的應用面極廣，可以處理有機材料，也可以處理無機材料。通過硅烷偶聯劑的處理后材料的某些性能會得到顯著提高。以下介紹幾種硅烷偶聯劑的在新材料中的具體應用研究。
1.硅烷偶聯劑在光材料中的應用研究：
西安交大重點研究了硅烷偶聯劑對太陽電池鋁漿性能的影響及分析，他們重點研究了添加不同質量分數w（硅烷偶聯劑）（0.5%-3.0%）對鋁漿有機載體的表面張力、鋁膜表面劃痕、起灰、導電性能的影響規律。結果表明：當w（硅烷偶聯劑）為2.5%時，有機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
硅烷偶聯劑
作用，從而減少劃痕和灰化，進而可使鋁電極的接觸電阻由0.60 Ω 降低至0.19 Ω。[1]
而又有學者將目光對準了玻璃的發光性能，而這種玻璃是硅烷偶聯劑改性的芪3 摻雜鉛-錫-氟磷酸鹽的玻璃，具體的操作是：采用溶有芪3 的硅烷偶聯劑KBM403對SnF2粉末進行改性, 經改性的SnF2 粉末有利于提高有機染料芪3 摻雜的分散性。將含有芪3的改性SnF2 粉末摻入低熔點鉛錫氟磷酸鹽玻璃,獲得了芪3摻雜的有機/無機雜化玻璃。這種玻璃有更好的
投射性和均勻性。[2]
2.硅烷偶聯劑在納米級材料及復合材料中應用研究：
復合材料由于其優異的性能，越來越受到大家的青睞。但是復合材料的固有缺點不能消除。通過利用硅烷偶聯劑的加入可以制備性能更佳的復合材料。納米材料中加入偶聯劑后就像增強體一樣，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復合材料。采用SEM 對SiO2 / NR 復合材料斷面進行分析, 觀察SiO2 粒子大小和形態, 并對其力學性能進行測試。結果表明, 經過硅烷偶聯劑處理的納米SiO2 在復合材料中分散均勻,力學性能較好。[3]除了無機復合材料，在納米氧化鋅制備中也加入了硅烷偶聯劑，采用的硅烷偶聯劑有KH550、KH 560、KH 570對納米ZnO進行了改性, 研究表明硅烷偶聯劑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XRD衍射，TEM分析可知改性后納米ZnO 粉體的晶型沒有發生明顯改變但分散性變好。[4]
除了制備納米級的材料的研究，在復合材料中也有應用，如偶聯劑在復合水泥砂漿中應用研究，他們采取了統一變量法，研究了硅烷偶聯劑對普通水泥砂漿、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,研究結果表明,0.5%-1%硅烷偶聯劑的水溶液能較大幅度地提高多種復合水泥砂漿的抗折強度和抗拉強度,且能提高普通水泥砂漿和聚合物改性水泥砂漿的稠度,但會使其分層度略有增大.[5]又如在廢EMC粉/PVC復合材料，具體制備是：采用硅烷偶聯劑KH-550對廢環氧模塑料粉(廢EMC粉)進行表面改性并制備了相應的改性廢EMC粉/PVC復合材料,對材料的力學性能測試，表明了拉伸強度、沖擊強度和彎曲強度分別比未改性時提高了很多，而且也大大改善了廢EMC 粉和PVC之間的相容性, 提高了界面結合強度。[6]對于硅烷偶聯劑在膨脹阻燃聚丙烯復合體系中的應用研究表明了：當A-172（乙烯基硅烷偶聯劑）/IFR（膨脹阻燃劑）/PP為0.5/22.5/77.5時，體系的力學性能基本不變，但阻燃性能得到了改善。其中氧指數同比提高了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]同樣對于瀝青路用性能的研究表明：隨硅烷偶聯劑用量增加, 復合瀝青混合料在7d 和28d 齡期的路用性能先提高后降低, 當用量為乳化瀝青質量分數的0.6%時, 混合料凍融劈裂強度比、馬歇爾穩定度和抗壓回彈模量等路用
性能提高了10%~ 30%。[8]
華南理工大學研究了表面活性劑和硅烷偶聯劑有機復合改性蒙脫土的制備及性能表征，為增加蒙脫土與有機物的相容性, 采用十六烷基三甲基溴化銨( CTAB)與硅烷偶聯劑(KH2560)對蒙脫土進行了有機復合改性。表面活性劑和硅烷偶聯劑有機復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熔融共混后的復合材料的玻璃化轉變溫度的增幅最大, 力學性能的改善也更明顯。[9]
3.硅烷偶聯劑在電化學材料中的應用研究：
硅烷偶聯劑對于電化學材料的影響的研究不是特別多，華南師范大學研究了硅烷偶聯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硅烷偶聯劑對金屬鎂進行表面處理，然后固封制備得到鎂電極，采用對比分析得到的結果是兩種硅烷偶聯劑都可以改善鎂電極的性能，其中A-1200效果更好。[10]中國兵器工業第五九研究所則是對硅烷偶聯劑對羰基鐵粉電磁性能的影響進行了研究，他們利用FT-IR, SEM 和矢量網絡分析儀等對羰基鐵粉改性前后的化學鍵特性、微觀形貌和電磁參數等進行了研究,研究結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, 增加了與有機基體材料的潤濕性,分散性得到明顯改善。改性后復介電常數實部、虛部、復磁導率虛部都有不同程度的減小,復磁導率實部在低頻減小,高頻沒有變化。當硅烷偶聯劑用量為2. 0% 時,計算得到改性羰基鐵粉的吸波性能最好,反射率最小達到-37.7dB,反射率均小于-10dB的頻率帶寬達到
4.8GHz。[111
4.硅烷偶聯劑在牙科中的應用：
隨著生活水平的提高，飲食的不注意導致蛀牙的概率大增，為此人們用烤瓷進行補牙，而烤瓷的性能在補牙中起很大作用，它要承受巨大的抗擊力，同時要與牙齒有很好的粘合力，而硅烷偶聯劑正好可以完成這項任務。
第四軍醫大學口腔醫學院修復科的主任郭航和他的團隊研究了硅烷偶聯劑及自酸蝕粘結劑對VitaMarkⅡ與牙本質粘結強度的影響，具體方法是將切割好的72 個瓷片經打磨酸蝕后隨機分為2 組：實驗組應用硅烷偶聯劑，對照組無處理。每組再分4 個亞組，與4 種粘結材料(RelyX Veneer、Panavia F、RelyX Unicem 和FL- BOND+Beautifil Flow)粘結，萬能材料試驗機測其剪切強度，掃描電鏡觀察粘結界面。實驗結果表明：對照組中RelyX Veneer、Panavia F 和RelyX Unicem的剪切強度顯著高于FL- BOND+Beautifil Flow的剪切強度(P< 0.05)。實驗組中4 種粘結材料間的差異無統計學意義(P > 0. 05)。硅烷偶聯劑的應用提高
[12] 了4 種粘結材料的剪切強度。最終得出的結論是硅烷偶聯劑可提高MarkⅡ瓷的粘結強度。
另外貴州醫學院的張軍梅和她的團隊則是進行了四種烤瓷合金與復合樹脂粘接強度的對比觀察實驗，實驗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)，對其表面打磨、酸蝕后隨機分為兩組。實驗組用硅烷偶聯劑進行表面處理，對照組不處理，然后均用Voco Cimara崩瓷修復系統粘接修復。經37 cC恒溫水浴24 h后，用萬能測試機測定合金與復合樹脂的剪切強度，用掃描電鏡觀察剪切后的斷面。最終得到的結論與銀鈀合金、鈦合金、鎳鉻合金相比，金合金與復合樹脂粘接強度最大。[13]而南昌大學醫學院碩士生則是進行了不同偶聯劑和粘結劑對烤瓷瓷面與金屬托槽抗剪切強度影響的體外研究，在他的論文里得到的結論是硅烷偶聯劑能有效增加烤瓷瓷面和金屬托槽之間的抗剪切強度，單組份硅烷偶聯劑和雙組份硅烷偶聯劑作用沒有顯著性差異。光固化復合樹脂粘結劑與雙組份硅烷偶聯劑合用可獲得最大的抗剪切強度。樹脂改良型光固化玻璃離子粘結劑不適合用于金
[14] 屬托槽與烤瓷瓷面的粘結。
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