硅烷偶聯(lián)劑KH-550

硅烷偶聯(lián)劑KH-550是一類具有特殊結(jié)構(gòu)的低分子有機硅化合物，其通式為RSiX3，式中R代表與聚合物分子有親和力或反應(yīng)能力的活性官能團(tuán)，如氧基、巰基、乙烯基、環(huán)氧基、酰胺基、氨丙基等;X代表能夠水解的烷氧基，如鹵素、烷氧基、酰氧基等。 
在進(jìn)行偶聯(lián)時，首先X基水形成硅醇，然后與無機粉體顆粒表面上的羥基反應(yīng)，形成氫鍵并縮合成—SiO—M共價鍵(M表示無機粉體顆粒表面)。同時，硅烷各分子的硅醇又相互締合齊聚形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膜覆蓋在粉體顆粒表面，使無機粉體表面有機化。

硅烷偶聯(lián)劑在高聚物基復(fù)合材料中的作用機理主要有以下幾種理論： 
(1)化學(xué)鍵理論，認(rèn)為硅烷偶聯(lián)劑KH-550含有兩種不同的化學(xué)官能團(tuán)，其一端能與無機材料，如玻璃纖維、硅酸鹽、金屬氧化物等表面的硅醇基團(tuán)反應(yīng)生成共價鍵;另一端又與高聚物基料或樹脂生成共價鍵，從而將兩種不相容的材料偶聯(lián)起來。 
(2)表面浸潤理論，認(rèn)為硅烷偶聯(lián)劑提高了玻璃纖維或其他無機材料的表面張力，甚至使其大于樹脂基體的表面張力，從而有利于樹脂在無機物表面的浸潤與展開，改善了樹脂對無機增強材料的潤濕能力，使樹脂與無機增強材料較好地黏合在一起。 
(3)變形層理論，認(rèn)為硅烷偶聯(lián)劑在界面中是可塑的，它可以在界面上形成一個大于10nm的柔性變形層，這個變形層具有遭受破壞時自行愈合的能力，不但能夠松弛界面的預(yù)應(yīng)力，而且能阻止裂紋的擴(kuò)展，故可改善界面的黏合強度。 
(4)拘束層理論，認(rèn)為復(fù)合材料中高模量增強材料與低模量樹脂之間存在著界面區(qū)，而硅烷偶聯(lián)劑為其中的一部分。硅烷偶聯(lián)劑不僅能與無機物表面產(chǎn)生黏合，而且還有可以與樹脂反應(yīng)的基團(tuán)，能將聚合物“緊束”在界面上。當(dāng)此界面區(qū)的模量介于無機增強材料與樹脂之間時，應(yīng)力可以被均勻地傳遞。
 
(5)可逆水解理論，認(rèn)為有水存在時硅烷偶聯(lián)劑KH-550和玻璃纖維間受應(yīng)力作用而產(chǎn)生斷裂，但又能可逆的重新愈合。這樣在界面上既有拘束層理論的剛性區(qū)域(由樹脂和硅烷偶聯(lián)劑交聯(lián)生成)，又可允許應(yīng)力松弛，將化學(xué)鍵理論、拘束層理論和變形層理論調(diào)和起來。此機理不但可以解釋界面偶聯(lián)作用機理，而且也可以說明松弛應(yīng)力的效應(yīng)以及抗水保護(hù)表面的作用。

無機顏料和填料在涂料液態(tài)有機相中的分散可分為潤濕、解聚及穩(wěn)定化(抗絮凝)3個階段。由于這些無機顏料和填料天然親水，表面易吸附一層水，因此非極性的疏水基料難以使其潤濕和分散。用硅烷偶聯(lián)劑對無機顏料和填料進(jìn)行預(yù)處理(表面改性)，硅烷就會取代顏料或填料表面的水，包覆顆粒，使得R基團(tuán)朝外，變得親油、疏水，而易于被基料潤濕。經(jīng)過潤濕，基料分子插入無機顏料或填料顆粒之間，將它們隔開，使之分散穩(wěn)定，防止了沉淀和結(jié)塊。無機顏料和填料表面經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后，降低了與漆基間的結(jié)構(gòu)化作用，使涂料的黏度大幅度降低，消除了絮凝，即使增大顏料、填料的添加量也不會影響涂料的流動性，而且顏料、填料顆粒的良好分散使最終漆膜的遮蓋力、顯色力和著色力均獲得提高。

硅烷偶聯(lián)劑KH-550可立即完全溶于水、醇、芳香族和脂肪碳?xì)浠衔?，但丙酮不宜作稀釋劑?/span>

應(yīng)用及性能
由KH-550硅烷偶聯(lián)劑產(chǎn)生的氨基硅烷廣泛運用于以下范圍。
1、 涂料、粘接劑和密封劑
硅烷偶聯(lián)劑KH-550是一種優(yōu)異的粘接促進(jìn)劑，應(yīng)用于丙烯酸涂料、粘接劑和密封劑。對于硫化物、聚氨酯、RTV、環(huán)氧、腈類、酚醛樹脂、粘接劑和密封劑，氨基硅烷可改善顏料的分散性并提高與玻璃、鋁和鋼鐵的粘接力。
2、玻璃纖維的增強
在玻璃纖維增強的熱固性與熱塑性塑料中使用，硅烷偶聯(lián)劑KH-550可大幅度提高在干濕態(tài)下的彎曲強度、拉伸強度和層間剪切強度，并顯著提高濕態(tài)電氣性能。在干濕態(tài)情況下使用這種硅烷時，玻璃纖維增強的熱塑性塑料、聚酰胺、聚酯和聚碳酸酯在浸水以前和以后的抗彎曲強度和抗拉強度均上升。
3、 玻璃纖維和礦物棉絕緣材料
將硅烷偶聯(lián)劑KH-550加入酚醛樹脂粘接劑中可提高防潮性及壓縮后的回彈性。
4、礦物填料和樹脂體系
硅烷偶聯(lián)劑KH-550能大幅度提高無機填料填充的酚醛樹脂、聚酯樹脂、環(huán)氧、聚胺、聚碳酸酯等熱塑性和熱固性樹脂的物理力學(xué)性能和電氣性能，并改善填料在聚合物中的潤濕性和分散性。
5、 鑄造應(yīng)用
使用硅烷偶聯(lián)劑KH-550可以降低硅砂鑄造模的酚醛樹脂或呋喃樹脂鍵合劑用量可以降低，并使型砂強度提高，發(fā)氣量也減少。
6、 樹脂砂輪制造
硅烷偶聯(lián)劑KH-550有助于提高耐磨自硬砂和酚醛粘合劑的粘接性及耐水性。
7、木塑制造中的應(yīng)用
硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理木粉制得的復(fù)合材料的沖擊強度、彎曲強度、彎曲模量等各項力學(xué)性能均有所提高。

石英粉或其他二氧化硅粉體的表面化學(xué)改性主要使用硅烷偶聯(lián)劑，包括氨基、環(huán)氧基、甲基丙烯基、三甲基、甲基和乙烯基等各種硅烷偶聯(lián)劑。硅烷偶聯(lián)劑的—RO官能團(tuán)可在水中(包括填料表面所吸附的自由水)水解產(chǎn)生硅醇基，這一基團(tuán)可與SiO2進(jìn)行化學(xué)結(jié)合或與表面原有的硅醚醇基結(jié)合為一體，成為均相體系。這樣，既除去了SiO2表面的水分，又與其中的氧原子形成硅醚鍵，從而使硅烷偶聯(lián)劑的另一端所攜帶的與高分子聚合物具有很好的親和性的有機官能團(tuán)—R’牢固地覆蓋在石英或二氧化硅顆粒表面，形成具有反應(yīng)活性的包覆膜。
 
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(yán)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?jǐn)?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(kuò)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(jìn)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。
  
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(jìn)行模塑（擠出、壓塑、涂覆等）。