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一、選用硅烷偶聯(lián)劑的一般原則 已知，硅烷偶聯(lián)劑的水解速度取于硅能團Si-X，而與有機聚合物的反應(yīng)活性則取于碳官能團C-Y。因此，對于不同基材或處理對象，選擇適用的硅烷偶聯(lián)劑至關(guān)重要。選擇的方法主要通過試驗，預(yù)選并應(yīng)在既有經(jīng)驗或規(guī)律的基礎(chǔ)上進行。例如，在一般情況下，不飽和聚酯多選用含CH2=CMeCOOVi及CH2-CHOCH2O的硅烷偶聯(lián)劑：環(huán)氧樹脂多選用含CH2CHCH2O及H2N硅烷偶聯(lián)劑：酚醛樹脂多選用含H2N及H2NCONH硅烷偶聯(lián)劑：聚烯烴多選用乙烯基硅烷：使用硫黃硫化的橡膠則多選用烴基硅烷等。由于異種材料間的黏接強度受到一系列因素的影響，諸如潤濕、表面能、界面層及極性吸附、酸堿的作用、互穿網(wǎng)絡(luò)及共價鍵反應(yīng)等。因而，光靠試驗預(yù)選有時還不夠精確，還需綜合考慮材料的組成及其對硅烷偶聯(lián)劑反應(yīng)的敏感度等。為了提高水解穩(wěn)定性及降低改性成本，硅烷偶聯(lián)劑中可摻入三烴基硅烷使用；對于難黏材料，還可將硅烷偶聯(lián)劑交聯(lián)的聚合物共用。 硅烷偶聯(lián)劑用作增黏劑時，主要是通過與聚合物生成化學(xué)鍵、氫鍵；潤濕及表面能效應(yīng)：改善聚合物結(jié)晶性、酸堿反應(yīng)以及互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的生成等而實現(xiàn)的。增黏主要圍繞3種體系：即（1）無機材料對有機材料；（2）無機材料對無機材料；（3）有機材料對有機材料。對于第一種黏接，通常要求將無機材料黏接到聚合物上，故需優(yōu)先考慮硅烷偶聯(lián)劑中Y與聚合物所含官能團的反應(yīng)活性：后兩種屬于同類型材料間的黏接，故硅烷偶聯(lián)劑自身的反親水型聚合物以及無機材料要求增黏時所選用的硅烷偶聯(lián)劑 。 二、使用方法 如同前述，硅烷偶聯(lián)劑的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一是處理有機聚合物使用的無機填料。后者經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理，即可將其親水性表面，轉(zhuǎn)變成親有機表面，既可避免體系中粒子集結(jié)及聚合物急劇稠化，還可提高有機聚合物對補強填料的潤濕性，通過碳官能硅烷還可使補強填料與聚合物實現(xiàn)牢固鍵合。但是，硅烷偶聯(lián)劑的使用效果，還與硅烷偶聯(lián)劑的種類及用量、基材的特征、樹脂或聚合物的性質(zhì)以及應(yīng)用的場合、方法及條件等有關(guān)。本節(jié)側(cè)重介紹硅烷偶聯(lián)劑的兩種使用方法，即表面處理法及整體摻混法。前法是用硅烷偶聯(lián)劑稀溶液處理基體表面；后法是將硅烷偶聯(lián)劑原液或溶液，直接加入由聚合物及填料配成的混合物中,因而特別適用于需要攪拌混合的物料體系 。 1、硅烷偶聯(lián)劑用量計算 被處理物（基體）單位比表面積所占的反應(yīng)活性點數(shù)目以及硅烷偶聯(lián)劑覆蓋表面的厚度是決定基體表面硅基化所需偶聯(lián)劑用量的關(guān)鍵因素。為獲得單分子層覆蓋，需先測定基體的SiOH含量。已知，多數(shù)硅質(zhì)基體的SiOH含是來4-12個/㎡，因而均勻分布時，1mol硅烷偶聯(lián)劑可覆蓋約7500m2的基體。具有多個可水解基團的硅烷偶聯(lián)劑，由于自身縮合反應(yīng)，多少要影響計算的準確性。若使用Y3SiX處理基體，則可得到與計算值一致的單分子層覆蓋。但因Y3SiX價昂貴，且覆蓋耐水解性差，故無實用價值。此外，基體表面的Si-OH數(shù)，也隨加熱條件而變化。例如，常態(tài)下SiOH數(shù)為5.3個/㎡硅質(zhì)基體，經(jīng)在400或800下加熱處理后，則SiOH值可相應(yīng)降為2.6個/㎡或1個/㎡。反之，使用濕熱鹽酸處理基體，則可得到高SiOH含量；使用堿性洗滌劑處理基體表面，則可形成硅醇陰離子。 2、表面處理法 此法系通過硅烷偶聯(lián)劑將無機物與聚合物兩界面連結(jié)在一起，以獲得最佳的潤濕值與分散性。表面處理法需將硅烷偶聯(lián)劑酸成稀溶液，以利與被處理表面進行充分接觸。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，由其他硅烷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。氯硅烷及乙酰氧基硅烷水解過程中，將伴隨嚴重的縮合反應(yīng)。也不適于制成水溶液或水醇溶液使用，對于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，而后再加水加工成水乳液使用。為了提高產(chǎn)品的水解穩(wěn)定性的經(jīng)濟效益，硅烷偶聯(lián)劑中還可摻入一定比例的非碳官能硅烷。處理難黏材料時，可使用混合硅烷偶聯(lián)劑或配合使用碳官能硅氧烷。 配好處理液后，可通過浸漬、噴霧或刷涂等方法處理。一般說，塊狀材料、粒狀物料及玻璃纖維等多用浸漬法處理；粉末物料多采用噴霧法處理；基體表面需要整體涂層的，則采用刷涂法處理。下面介紹幾種具體的處理方法。 ㈠ 使用硅烷偶聯(lián)劑醇水溶液處理法 此法工藝簡便，首先由95%的EtOH及5%的H2O配成醇水溶液，加入AcOH使pH 為4.5-5.5。攪拌下加入硅嘗偶聯(lián)劑使?jié)舛冗_2%，水解5min后，即生成含SiOH的水解物。當(dāng)用其處理玻璃板時，可在稍許攪動下浸入1-2min，取出并浸入EtOH中漂洗2次，晾干后，移入110的烘箱中烘干5-10min，或在室溫及相對濕度60%條件下干燥24h，即可得產(chǎn)物。 如果使用氨烴基硅烷偶聯(lián)劑，則不必加HOAc。但醇水溶液處理法不適用于氯硅烷型偶聯(lián)劑，后者將在醇水溶液中發(fā)生聚合反應(yīng)。當(dāng)使用2%濃度的三官能度硅烷偶聯(lián)劑溶液處理時，得到的多為3-8分子厚的涂層。 ㈡ 使用硅烷偶聯(lián)劑水溶液處理 工業(yè)上處理玻璃纖維大多采用此法。具體工藝是先將烷氧基硅烷偶聯(lián)劑溶于水中，將其配成0.5%-2.0%的溶液。對于溶解性較差的硅烷，可事先在水中加入0.1%非離子型表面活性劑配制成水乳液，再加入AcOH將pH調(diào)至5.5。然后，采用噴霧或浸漬法處理玻璃纖維。取出后在110-120下固化20-30min即得產(chǎn)品。由于硅烷偶聯(lián)劑水溶液的穩(wěn)定性相差很大，如簡單的烷基烷氧基硅烷水溶液僅能穩(wěn)定數(shù)小時，而氨烴硅烷水溶液可穩(wěn)定幾周。由于長鏈烷基及芳基硅烷水溶液僅能穩(wěn)定數(shù)小時，而氨烴硅水溶液可穩(wěn)定幾周。由于長鏈烷基及世基硅烷的溶解度參數(shù)低，故不能使用此法。配制硅烷水溶液時，無需使用去離子水，但不能使用含所氟離子的水。 ?、?使用硅烷偶聯(lián)劑有機溶劑配成的溶液處理 使有硅烷偶聯(lián)劑溶液處理基體時，一般多選用噴霧法。處理前，需掌握硅烷用量及填料的含水量。將偶聯(lián)劑先配制成25%的醇溶液，而后將填料置入高速混合器內(nèi)，在攪拌下泵入呈細霧狀的硅烷偶聯(lián)劑溶液，硅烷偶聯(lián)劑的用量約為填料質(zhì)量的0.2%-1.5%，處理20min即可結(jié)束，隨后用動態(tài)干燥法干燥之。 除醇外，還可使用酮酯、及烴類作溶劑，并配制成1%-5%（質(zhì)量分數(shù)）的濃度。為使硅烷偶聯(lián)劑進行水解，或部分水解溶劑中還需加入少量水，甚至還可加入少許HOAc作水解催化劑，而后將待處理物料在攪拌下加入溶液中處理，再經(jīng)過濾，及在80-120下干燥固化數(shù)分鐘，即可得產(chǎn)品。 采用噴霧法處理粉末填料，還可使用硅烷偶聯(lián)劑原液或其水解物溶液。當(dāng)處理金屬、玻璃及陶瓷時，宜使0.5%-2.0%（質(zhì)量分數(shù)）濃度的硅烷偶聯(lián)劑醇溶液，并采用浸漬、噴霧及刷涂等方法處理，根據(jù)基材的處形及性能，既可隨即干燥固化，也可在80-180下保持1-5min達到干燥固化。 ?、?使用硅烷偶聯(lián)劑水解物處理 即先將硅烷通過控制水解制成水解物而用作表面處理劑。此法可獲得比純硅烷溶液更佳的處理效果，它無需進一步水解，即可干燥固化。 3、整體摻混法 整體摻混法是在填料加入前，將硅烷偶聯(lián)劑原液混入樹脂或聚合物內(nèi)。因而，要求樹脂或聚合物不得過早與硅烷偶聯(lián)劑反應(yīng)，以免降低其增黏效果。此外，物料固化前，硅烷偶聯(lián)劑必須從聚合物遷移到填料表面，隨后完成水解縮合反應(yīng)。為此，可加入金屬羧酸酯作催化劑，以加速水解縮合反應(yīng)。此法對于宜使用硅烷偶劑表面處理的填料，或在成型前樹脂及填料需經(jīng)混勻攪拌處理的體系，尤為方便有效，還可克服填料表面處理法的某些缺點。有人使用各種樹脂對比了摻混法及表面處理法的優(yōu)缺點。認為：在大多數(shù)情況下，摻混法效果亞于表面處理法。摻混法的作用過程是硅烷偶劑從樹脂遷移到纖維或填料表面，并過而與填料表面作用。因此，硅烷偶聯(lián)摻入樹脂后，須放置一段時間，以完成遷移過程，而后再進行固化，方能獲得較佳的效果。還從理論上推測，硅烷偶聯(lián)劑分子遷移到填料表面的理，僅相當(dāng)于填料表面生成單分子層的量，故硅烷偶聯(lián)劑用量僅需樹脂質(zhì)量的0.5%-1.0%。還需指出，在復(fù)合材料配方中，當(dāng)使用與填料表面相容性好、且摩爾質(zhì)量較低的添加劑，則要特別注意投料順序，即先加入硅烷偶聯(lián)劑，而后加入添加劑，才能獲得較佳的結(jié)果。 復(fù)合材料是指由基體樹脂、增強材料（填料、玻璃纖維）、功能性助劑（偶聯(lián)劑、脫模劑、增韌劑）等經(jīng)過特定[wiki]設(shè)備[/wiki]加工而成的材料，主要有不飽和聚酯復(fù)合材料、酚醛模塑料、環(huán)氧塑封料、環(huán)氧灌封料、環(huán)氧澆注料、環(huán)氧玻璃纖維布等。其特點為：高強度、高電性能、成型性好等。 硅烷偶聯(lián)劑含有可以和無機填料反應(yīng)的硅氧烷基團以及和有機樹脂反應(yīng)的環(huán)氧基、氨基、乙烯基基團等。作為復(fù)合材料中常用的助劑，它的作用為：改善基體樹脂對填料、玻璃纖維的浸潤性，使得基體樹脂通過化學(xué)鍵和填料或玻璃纖維相連接，進而提高復(fù)合材料的彎曲強度、沖擊強度、耐水性、電性能等。 增韌型硅烷偶聯(lián)劑是指在硅氧烷基團和有機活性基團之間含有一定分子量的柔性長鏈。由于柔性長鏈的存在，適當(dāng)降低了復(fù)合材料中填料表面層的化學(xué)鍵合密度，當(dāng)復(fù)合材料受到外界沖擊時，填料表面包裹的柔性鏈能很好的吸收沖擊能量。這樣就改善了復(fù)合材料的沖擊強度，減少了應(yīng)力開裂。同時由于長鏈硅烷偶聯(lián)劑大部分分散在填料的表面層，樹脂層中含量較少，適當(dāng)?shù)挠昧壳闆r下對復(fù)合材料的熱變形溫度、玻璃化溫度影響不大。 添加增韌型硅烷偶聯(lián)劑的復(fù)合材料具有高韌性且內(nèi)應(yīng)力較低,而耐熱性卻下降不大。和一般的硅烷偶聯(lián)劑相比，長鏈硅烷偶聯(lián)劑在改善膠液對填料的浸潤性方面亦有其獨特的優(yōu)點，尤其對于那些具有很高的表面能的填料如：玻璃纖維、納米二氧化硅等，長鏈硅烷偶聯(lián)劑由于具有疏水性的柔性長鏈，極大地降低了填料的表面能，使得膠液中的溶劑、樹脂、助劑等能均勻的滲透到玻璃纖維中或均勻分散到納米填料表面，這就提高了復(fù)合材料的沖擊強度、耐熱性等。而經(jīng)過一般的硅烷偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維布在涂膠處理時（如覆銅板生產(chǎn)用的環(huán)氧-玻璃纖維半固化片），由于毛細現(xiàn)象，總是纖維布表面膠液中的丙酮、二甲基甲酰胺等低分子量的極性溶劑優(yōu)先在玻璃纖維中擴散，這樣就使得纖維布表面的膠液黏度急劇增大，膠液中的樹脂和固化劑難以迅速向玻璃纖維中滲透，由此得到的復(fù)合材料沖擊強度、耐熱性較差。另外亦已證明經(jīng)過長鏈硅烷偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維復(fù)合材料具有更好的耐離子遷移性。 |
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