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硅烷偶联剂的概述以及工业应用领域


 

概 述

硅烷偶联剂是由硅氯仿(hsicl3)和带有反应性基团的不饱和烯烃在铂氯酸催化下加成,再经醇解而得。它在国内有kh550,kh560,kh570,kh792,dl602,dl171这几种型号。硅烷偶联剂实质上是一类具有有机官能团的硅烷,在其分子中同时具有能和无机质材料(如玻璃、硅砂、金属等)化学结合的反应基团及与有机质材料(合成树脂等)化学结合的反应基团。

通式如图,y(ch2)nsix3

此处,n=0~3;x-可水解的基团;y一有机官能团,能与树脂起反应。x 通常是氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基等,这些基团水解时即生成硅醇(si(oh)3),而与无机物质结合,形成硅氧烷。y是乙烯基、氨基、环氧基、甲基丙烯酰氧基、巯基或脲基。这些反应基可与有机物质反应而结合。 因此,通过使用硅烷偶联剂,可在无机物质和有机物质的界面之间架起"分子桥",把两种性质悬殊的材料连接在一起提高复合材料的性能和增加粘接强度的作用。 硅烷偶联剂的这一特性最早应用于玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)上, 作玻璃纤维的表面处理剂,使玻璃钢的机械性能、电学性能和抗老化性能得到很大的提高,在玻璃钢工业中的重要性早已得到公认。

目前,硅烷偶联剂的用途已从玻璃纤维增强塑料(frp)扩大到玻璃纤维增强热塑性塑料(frtp)用的玻璃纤维表面处理剂、无机填充物的表面处理剂以及密封剂、 树脂混凝土、水交联性聚乙烯、树脂封装材料、壳型造型、轮胎、带、涂料、胶粘剂、研磨材料(磨石)及其它的表面处理剂。在硅烷偶联剂这两类性能互异的基团中,以y基团最重要、它对制品性能影响很大,起决定偶联剂的性能作用。只有当y基团能和对应的树脂起反应, 才能使复合材料的强度提高。一般要求y基团要与树脂相容并能起偶联反应。

应用领域

硅烷偶联剂的应用大致可归纳为以下几个方面:

(一)用在玻璃纤维行业中,对玻璃纤维的表面进行处理、改善,能改善玻璃纤维和树脂的粘合性能,大大提高玻璃纤维增强复合材料的强度、电气、抗水、抗气候等性能,即使在湿态时,它对复合材料机械性能的提高,效果也十分显著。目前,在玻璃纤维中使用硅烷偶联剂已相当普遍,用于这一方面的硅烷偶联剂约占其消耗总量的50%,其中用得较多的品种是乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷等。

(二)用在塑料、复合材料行业中。可预先对无机填料进行表面处理,也可直接

加入树脂中。能改善填料在树脂中的分散性及粘合力,改善工艺性能和提高填充塑料(包括橡胶)的机械、电学和耐气候等性能。

(三)用胶行业(硅胶、环氧胶、密封胶)、密封剂、粘接剂等行业中,能提高它们的粘接强度、耐水、耐气候等性能。 硅烷偶联剂往往可以解决某些材料长期以来无法粘接的难题。硅烷偶联剂作为增粘剂的作用原理在于它本身有两种基团;一种基团可以和被粘的骨架材料结合;而另一种基团则可以与高分子材料或粘接剂结合,从而在粘接界面形成强力较高的化学键,大大改善了粘接强度。硅烷偶联剂的应用一般有三种方法:一是作为骨架材料的表面处理剂;二是加入到粘接剂中,三是直接加入到高分子材料中。从充分发挥其效能和降低成本的角度出发,前两种方法较好。

(四)在铸造行业中的应用有机硅烷偶联剂,可改善有机和无机物表面性质,增强填料与树脂的粘接力。特别是与呋喃树脂相混合后用于铸造行业,其型砂强度、树脂的储存期限都得到显著的提高且。

(五)用在涂料行业中,增强气干涂膜对难附着底材的附着力(尤其是环氧、醇酸、聚氨酯、丙烯酸等数脂体系),大大增进其耐水性和耐盐雾性;用在环氧重防腐体系中能大大提高其抗恶劣环境条件,增强漆膜的憎水性,提高涂料的防腐性能。

硅烷偶联剂在胶粘剂工业的具体应用有如下几个方面:

①在结构胶粘剂中金属与非金属的胶接,若使用硅烷类增粘剂,就能与金属氧化物缩合,或跟另一个硅烷醇缩合,从而使硅原子与被胶物表面紧紧接触。如在丁腈酚醛结构胶中加入硅烷作增粘剂,可以显著提高胶接强度。

②在胶接玻璃纤维方面国内外已普遍采用硅烷作处理剂。它能与界面发生化学反应,从而提高胶接强度。例如,氯丁胶胶接若不用硅烷作处理剂时,胶接剥离强度为1.07kg/cm2,若用氨基硅烷作处理剂,则胶接的剥离强度为8.7kg/cm2。

③在橡胶与其他材料的胶接方面,硅烷增粘剂具有特殊的功用。它明显地提高各种橡胶与其它材料的胶接强度。例如,玻璃与聚氨酯橡胶胶接时,若不用硅烷作处理剂,胶的剥离强度为0.224 kg/cm2,若加硅烷时,剥离强度则为7.26 kg/cm2。

④本来无法用一般粘接剂解决的粘接问题有时可用硅烷偶联剂解决。如铝和聚乙烯、硅橡胶与金属、硅橡胶与有机玻璃,都可根据化学键理论,选择相应的硅烷偶联剂,得到满意的解决。例如,用乙烯基三过氧化叔丁基硅烷(y一4310)可使聚乙烯与铝箔相粘合;用丁二烯基三乙氧基硅烷可使硅橡胶与金属的扯离强度达到21.6~22.4公斤/厘米2。一般的粘接剂或树脂配合使用偶联剂后不仅能提高粘合强度,更主要的是增加粘合力的耐水性及耐久性。如聚氨基甲酸酯和环氧树脂对许多材料虽然具有高的粘合力,但粘合的耐久性及耐水性不太理想;加入硅烷偶联剂后,这方面的性能可得到显著的改善。

硅烷偶联剂的其它方面应用还包括:

①使固定化酶附着到玻璃基材表面,

②油井钻探中防砂,

③使砖石表面具有憎水性,

④通过防吸湿作用,使荧光灯涂层具有较高的表面电阻;

⑤提高液体色谱柱中有机相对玻璃表面的吸湿性能。

使用方法

(1)表面预处理法 将硅烷偶联剂配成 0.5~1%浓度的稀溶液,使用时只需在清洁的被粘表面涂上薄薄的一层,干燥后即可上胶。所用溶剂多为水、醇、或水醇混合物,并以不含氟离子的水及价廉无毒的乙醇、异丙醇为宜。除氨烃基硅烷外,由其它硅烷偶联剂配制的溶液均需加入醋酸作水解催化剂,并将ph值调至3.5~5.5。长链烷基及苯基硅烷由于稳定性较差,不宜配成水溶液使用。氯硅烷及乙氧基硅烷水解过程中伴随有严重的缩合反应,也不宜配成水溶液或水醇溶液使用,而多配成醇溶液使用。水溶性较差的硅烷偶联剂,可先加入 0.1~0.2%(质量分数)的非离子型表面活性剂,然后再加水加工成水乳液使用。

(2)迁移法 将硅烷偶联剂直接加入到胶粘剂组分中,一般加入量为基体树脂量的 1~5%。涂胶后依靠分子的扩散作用,偶联剂分子迁移到粘接界面处产生偶联作用。对于需要固化的胶粘剂,涂胶后需放置一段时间再进行固化,以使偶联剂完成迁移过程,方能获得较好的效果。

实际使用时,偶联剂常常在表面形成一个沉积层,但真正起作用的只是单分子层,因此,偶联剂用量不必过多。

硅烷偶联剂的使用方法主要有表面预处理法和直接加入法,前者是用稀释的偶联剂处理填料表面,后者是在树脂和填料预混时,加入偶联剂的原液。

硅烷偶联剂配成溶液,有利于硅烷偶联剂在材料表面的分散,溶剂是水和醇配制成的溶液,溶液一般为硅烷(20%)、醇(72%)、水(8%),醇一般为乙醇(对乙氧基硅烷)甲醇(对甲氧基硅烷)及异丙醇(对不易溶于乙醇、甲醇的硅烷)因硅烷水解速度与ph值有关,中性最慢,偏酸、偏碱都较快,因此一般需调节溶液的ph值,除氨基硅烷外,其他硅烷可加入少量醋酸,调节ph值至4—5,氨基硅烷因具碱性,不必调节。因硅烷水解后,不能久存,最好现配现用,最好在一小时内用完。 下面是一些具体应用,以供用户参考:

(1)、预处理填料法:将填料放入固体搅拌机(高速固体搅拌机henshel(亨舍尔)或v型固体搅拌机等),并将上述硅烷溶液直接喷洒在填料上并搅拌,转速越

高,分散效果越好。一般搅拌在10—30分钟(速度越慢,时间越长),填料处理后应在120摄氏度烘干(2小时)。

(2)、硅烷偶联剂水溶液(玻纤表面处理剂):玻纤表面处理剂常含有:成膜剂、抗静电剂、表面活性剂、偶联剂、水。偶联剂用量一般为玻纤表面处理剂总量的0.3%—2%,将5倍水溶液首先用有机酸或盐将ph值调至一定值,在充分搅拌下,加入硅烷直到透明,然后加入其余组份,对于难溶的硅烷,可用异丙醇助溶。在拉丝过程中将玻纤表面处理剂喷洒在玻纤上干燥,除去溶剂及水份即可。

(3)、底面法:将5%—20%的硅烷偶联剂的溶液同上面所述,通过涂、刷、喷,浸渍处理基材表面,取出室温晾干24小时,最好在120℃下烘烤15分钟。

(4)、直接加入法:硅烷亦可直接加入填料/树脂的混合物中,在树脂及填料混合时,硅烷可直接喷洒在混料中。偶联剂的用量一般为填料用量的0.1%—2%,(根据填料直径尺寸决定)。然后将加过硅烷的树脂/填料进行模塑(挤出、压塑、涂覆等)。 选用原则

在硅烷偶联剂的两类性能互异的基团中,以 y基团最重要,它直接决定硅烷偶联剂的应用效果。只有当 y 基团能和对应的基体树脂起反应时,才能提高有机胶粘剂的粘接强度。一般要求 y 基团能与树脂相溶并能起偶联反应,所以对于不同的树脂,必须选择含适当 y 基团的硅烷偶联剂。

当y为无反应性的烷基或芳基时,对极性树脂是不起作用的,但可用于非极性树脂,如硅橡胶、聚苯乙烯等的胶接中。当y含反应性官能基,要注意它与所用树脂的反应性及相容性。当y含氨基时,是属于催化性的,能在酚醛、脲醛、三聚氰胺甲醛的聚合中作催化剂,也可作为环氧和聚氨酯树脂的固化剂,这时偶联剂完全参与反应,形成新键。氨基硅烷类的偶联剂是属于通用型的,几乎能与各种树脂起偶联作用,但聚酯树脂例外。x 基团的种类对偶联效果没有影响。因此,根据y基团中反应基的种类,硅烷偶联剂也分别称为乙烯基硅烷、氨基硅烷、环氧基硅烷、巯基硅烷和甲基丙烯酰氧基硅烷等,这几种有机官能团硅烷是最常用的硅烷偶联剂。

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