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硅烷偶聯(lián)劑的概述以及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域
概 述
硅烷偶聯(lián)劑是由硅氯仿（HSiCl3）和帶有反應(yīng)性基團的不飽和烯烴在鉑氯酸催化下加成，再經(jīng)醇解而得。它在國內(nèi)有KH550，KH560，KH570，KH792，DL602，DL171這幾種型號。硅烷偶聯(lián)劑實質(zhì)上是一類具有有機官能團的硅烷，在其分子中同時具有能和無機質(zhì)材料（如玻璃、硅砂、金屬等）化學結(jié)合的反應(yīng)基團及與有機質(zhì)材料（合成樹脂等）化學結(jié)合的反應(yīng)基團。
通式如圖，Y(CH2)nSiX3
此處，n=0～3；X－可水解的基團；Y一有機官能團，能與樹脂起反應(yīng)。X 通常是氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基等，這些基團水解時即生成硅醇（Si(OH)3）,而與無機物質(zhì)結(jié)合,形成硅氧烷。Y是乙烯基、氨基、環(huán)氧基、甲基丙烯酰氧基、巰基或脲基。這些反應(yīng)基可與有機物質(zhì)反應(yīng)而結(jié)合。 因此，通過使用硅烷偶聯(lián)劑，可在無機物質(zhì)和有機物質(zhì)的界面之間架起"分子橋"，把兩種性質(zhì)懸殊的材料連接在一起提高復(fù)合材料的性能和增加粘接強度的作用。 硅烷偶聯(lián)劑的這一特性最早應(yīng)用于玻璃纖維增強塑料（玻璃鋼）上， 作玻璃纖維的表面處理劑，使玻璃鋼的機械性能、電學性能和抗老化性能得到很大的提高,在玻璃鋼工業(yè)中的重要性早已得到公認。
目前，硅烷偶聯(lián)劑的用途已從玻璃纖維增強塑料（FRP）擴大到玻璃纖維增強熱塑性塑料（FRTP）用的玻璃纖維表面處理劑、無機填充物的表面處理劑以及密封劑、 樹脂混凝土、水交聯(lián)性聚乙烯、樹脂封裝材料、殼型造型、輪胎、帶、涂料、膠粘劑、研磨材料（磨石）及其它的表面處理劑。在硅烷偶聯(lián)劑這兩類性能互異的基團中，以Y基團最重要、它對制品性能影響很大，起決定偶聯(lián)劑的性能作用。只有當Y基團能和對應(yīng)的樹脂起反應(yīng)， 才能使復(fù)合材料的強度提高。一般要求Y基團要與樹脂相容并能起偶聯(lián)反應(yīng)。
應(yīng)用領(lǐng)域
硅烷偶聯(lián)劑的應(yīng)用大致可歸納為以下幾個方面：
（一）用在玻璃纖維行業(yè)中，對玻璃纖維的表面進行處理、改善，能改善玻璃纖維和樹脂的粘合性能，大大提高玻璃纖維增強復(fù)合材料的強度、電氣、抗水、抗氣候等性能，即使在濕態(tài)時，它對復(fù)合材料機械性能的提高，效果也十分顯著。目前，在玻璃纖維中使用硅烷偶聯(lián)劑已相當普遍，用于這一方面的硅烷偶聯(lián)劑約占其消耗總量的50％，其中用得較多的品種是乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷等。
（二）用在塑料、復(fù)合材料行業(yè)中。可預(yù)先對無機填料進行表面處理，也可直接
加入樹脂中。能改善填料在樹脂中的分散性及粘合力，改善工藝性能和提高填充塑料（包括橡膠）的機械、電學和耐氣候等性能。
（三）用膠行業(yè)（硅膠、環(huán)氧膠、密封膠）、密封劑、粘接劑等行業(yè)中，能提高它們的粘接強度、耐水、耐氣候等性能。 硅烷偶聯(lián)劑往往可以解決某些材料長期以來無法粘接的難題。硅烷偶聯(lián)劑作為增粘劑的作用原理在于它本身有兩種基團；一種基團可以和被粘的骨架材料結(jié)合；而另一種基團則可以與高分子材料或粘接劑結(jié)合，從而在粘接界面形成強力較高的化學鍵，大大改善了粘接強度。硅烷偶聯(lián)劑的應(yīng)用一般有三種方法：一是作為骨架材料的表面處理劑；二是加入到粘接劑中，三是直接加入到高分子材料中。從充分發(fā)揮其效能和降低成本的角度出發(fā)，前兩種方法較好。
(四)在鑄造行業(yè)中的應(yīng)用有機硅烷偶聯(lián)劑，可改善有機和無機物表面性質(zhì)，增強填料與樹脂的粘接力。特別是與呋喃樹脂相混合后用于鑄造行業(yè)，其型砂強度、樹脂的儲存期限都得到顯著的提高且。
（五）用在涂料行業(yè)中，增強氣干涂膜對難附著底材的附著力（尤其是環(huán)氧、醇酸、聚氨酯、丙烯酸等數(shù)脂體系），大大增進其耐水性和耐鹽霧性；用在環(huán)氧重防腐體系中能大大提高其抗惡劣環(huán)境條件，增強漆膜的憎水性，提高涂料的防腐性能。
硅烷偶聯(lián)劑在膠粘劑工業(yè)的具體應(yīng)用有如下幾個方面：
①在結(jié)構(gòu)膠粘劑中金屬與非金屬的膠接，若使用硅烷類增粘劑，就能與金屬氧化物縮合，或跟另一個硅烷醇縮合，從而使硅原子與被膠物表面緊緊接觸。如在丁腈酚醛結(jié)構(gòu)膠中加入硅烷作增粘劑，可以顯著提高膠接強度。
②在膠接玻璃纖維方面國內(nèi)外已普遍采用硅烷作處理劑。它能與界面發(fā)生化學反應(yīng)，從而提高膠接強度。例如，氯丁膠膠接若不用硅烷作處理劑時，膠接剝離強度為1.07Kg／cm2，若用氨基硅烷作處理劑，則膠接的剝離強度為8.7Kg／cm2。
③在橡膠與其他材料的膠接方面，硅烷增粘劑具有特殊的功用。它明顯地提高各種橡膠與其它材料的膠接強度。例如，玻璃與聚氨酯橡膠膠接時，若不用硅烷作處理劑，膠的剝離強度為0.224 Kg／cm2，若加硅烷時，剝離強度則為7.26 Kg／cm2。
④本來無法用一般粘接劑解決的粘接問題有時可用硅烷偶聯(lián)劑解決。如鋁和聚乙烯、硅橡膠與金屬、硅橡膠與有機玻璃，都可根據(jù)化學鍵理論，選擇相應(yīng)的硅烷偶聯(lián)劑，得到滿意的解決。例如，用乙烯基三過氧化叔丁基硅烷（Y一4310）可使聚乙烯與鋁箔相粘合；用丁二烯基三乙氧基硅烷可使硅橡膠與金屬的扯離強度達到21.6～22.4公斤／厘米2。一般的粘接劑或樹脂配合使用偶聯(lián)劑后不僅能提高粘合強度，更主要的是增加粘合力的耐水性及耐久性。如聚氨基甲酸酯和環(huán)氧樹脂對許多材料雖然具有高的粘合力，但粘合的耐久性及耐水性不太理想；加入硅烷偶聯(lián)劑后，這方面的性能可得到顯著的改善。
硅烷偶聯(lián)劑的其它方面應(yīng)用還包括：
①使固定化酶附著到玻璃基材表面，
②油井鉆探中防砂，
③使磚石表面具有憎水性，
④通過防吸濕作用，使熒光燈涂層具有較高的表面電阻；
⑤提高液體色譜柱中有機相對玻璃表面的吸濕性能。
使用方法
(1)表面預(yù)處理法 將硅烷偶聯(lián)劑配成 0.5～1%濃度的稀溶液，使用時只需在清潔的被粘表面涂上薄薄的一層，干燥后即可上膠。所用溶劑多為水、醇、或水醇混合物，并以不含氟離子的水及價廉無毒的乙醇、異丙醇為宜。除氨烴基硅烷外，由其它硅烷偶聯(lián)劑配制的溶液均需加入醋酸作水解催化劑，并將pH值調(diào)至3.5～5.5。長鏈烷基及苯基硅烷由于穩(wěn)定性較差，不宜配成水溶液使用。氯硅烷及乙氧基硅烷水解過程中伴隨有嚴重的縮合反應(yīng)，也不宜配成水溶液或水醇溶液使用，而多配成醇溶液使用。水溶性較差的硅烷偶聯(lián)劑，可先加入 0.1～0.2%(質(zhì)量分數(shù))的非離子型表面活性劑，然后再加水加工成水乳液使用。
(2)遷移法 將硅烷偶聯(lián)劑直接加入到膠粘劑組分中，一般加入量為基體樹脂量的 1～5%。涂膠后依靠分子的擴散作用，偶聯(lián)劑分子遷移到粘接界面處產(chǎn)生偶聯(lián)作用。對于需要固化的膠粘劑，涂膠后需放置一段時間再進行固化，以使偶聯(lián)劑完成遷移過程，方能獲得較好的效果。
實際使用時，偶聯(lián)劑常常在表面形成一個沉積層，但真正起作用的只是單分子層，因此，偶聯(lián)劑用量不必過多。
硅烷偶聯(lián)劑的使用方法主要有表面預(yù)處理法和直接加入法，前者是用稀釋的偶聯(lián)劑處理填料表面，后者是在樹脂和填料預(yù)混時，加入偶聯(lián)劑的原液。
硅烷偶聯(lián)劑配成溶液，有利于硅烷偶聯(lián)劑在材料表面的分散，溶劑是水和醇配制成的溶液，溶液一般為硅烷（20%）、醇（72%）、水（8%），醇一般為乙醇（對乙氧基硅烷）甲醇（對甲氧基硅烷）及異丙醇（對不易溶于乙醇、甲醇的硅烷）因硅烷水解速度與PH值有關(guān)，中性最慢，偏酸、偏堿都較快，因此一般需調(diào)節(jié)溶液的PH值，除氨基硅烷外，其他硅烷可加入少量醋酸，調(diào)節(jié)PH值至4—5，氨基硅烷因具堿性，不必調(diào)節(jié)。因硅烷水解后，不能久存，最好現(xiàn)配現(xiàn)用，最好在一小時內(nèi)用完。 下面是一些具體應(yīng)用，以供用戶參考：
（1）、預(yù)處理填料法：將填料放入固體攪拌機(高速固體攪拌機HENSHEL（亨舍爾）或V型固體攪拌機等)，并將上述硅烷溶液直接噴灑在填料上并攪拌，轉(zhuǎn)速越
高，分散效果越好。一般攪拌在10—30分鐘（速度越慢，時間越長），填料處理后應(yīng)在120攝氏度烘干（2小時）。
（2）、硅烷偶聯(lián)劑水溶液（玻纖表面處理劑）：玻纖表面處理劑常含有：成膜劑、抗靜電劑、表面活性劑、偶聯(lián)劑、水。偶聯(lián)劑用量一般為玻纖表面處理劑總量的0.3%—2%，將5倍水溶液首先用有機酸或鹽將PH值調(diào)至一定值，在充分攪拌下，加入硅烷直到透明，然后加入其余組份，對于難溶的硅烷，可用異丙醇助溶。在拉絲過程中將玻纖表面處理劑噴灑在玻纖上干燥，除去溶劑及水份即可。
（3）、底面法：將5%—20%的硅烷偶聯(lián)劑的溶液同上面所述，通過涂、刷、噴，浸漬處理基材表面，取出室溫晾干24小時，最好在120℃下烘烤15分鐘。
（4）、直接加入法：硅烷亦可直接加入填料/樹脂的混合物中，在樹脂及填料混合時，硅烷可直接噴灑在混料中。偶聯(lián)劑的用量一般為填料用量的0.1%—2%，（根據(jù)填料直徑尺寸決定）。然后將加過硅烷的樹脂/填料進行模塑（擠出、壓塑、涂覆等）。 選用原則
在硅烷偶聯(lián)劑的兩類性能互異的基團中，以 Y基團最重要，它直接決定硅烷偶聯(lián)劑的應(yīng)用效果。只有當 Y 基團能和對應(yīng)的基體樹脂起反應(yīng)時，才能提高有機膠粘劑的粘接強度。一般要求 Y 基團能與樹脂相溶并能起偶聯(lián)反應(yīng)，所以對于不同的樹脂，必須選擇含適當 Y 基團的硅烷偶聯(lián)劑。
當Y為無反應(yīng)性的烷基或芳基時，對極性樹脂是不起作用的，但可用于非極性樹脂，如硅橡膠、聚苯乙烯等的膠接中。當Y含反應(yīng)性官能基，要注意它與所用樹脂的反應(yīng)性及相容性。當Y含氨基時，是屬于催化性的，能在酚醛、脲醛、三聚氰胺甲醛的聚合中作催化劑，也可作為環(huán)氧和聚氨酯樹脂的固化劑，這時偶聯(lián)劑完全參與反應(yīng)，形成新鍵。氨基硅烷類的偶聯(lián)劑是屬于通用型的,幾乎能與各種樹脂起偶聯(lián)作用，但聚酯樹脂例外。x 基團的種類對偶聯(lián)效果沒有影響。因此，根據(jù)Y基團中反應(yīng)基的種類，硅烷偶聯(lián)劑也分別稱為乙烯基硅烷、氨基硅烷、環(huán)氧基硅烷、巰基硅烷和甲基丙烯酰氧基硅烷等，這幾種有機官能團硅烷是最常用的硅烷偶聯(lián)劑。
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