硅烷偶聯劑的通式為RnSiX(4-n),式中R為非水解的、可與高分子聚合物結合的有機官能團。根據高分子聚合物的不同性質,R應與聚合物分子有較強的親和力或反應能力,如甲基、乙烯基、氨基、環氧基、巰基、丙烯酰氧丙基等。X為可水解基團,遇水溶液、空氣中的水分或無機物表面吸附的水分均可引起分解,與無機物表面有較好的反應性。典型的X基團有烷氧基、芳氧基、酰基、氯基等;最常用的則是甲氧基和乙氧基,它們在偶聯反應中分別生成甲醇和乙醇副產物。由于氯硅烷在偶聯反應中生成有腐蝕性的副產物氯化氫,因此要酌情使用。
近年來,相對分子質量較大和具有特種官能團的硅烷偶聯劑發展很快,如辛烯基、十二烷基,還有含過氧基、脲基、羰烷氧基和陽離子烴基硅烷偶聯劑等。Lawrence等利用硅烷偶聯劑對碳纖維表面進行處理,偶聯劑中的甲基硅烷氧端基水解生成的硅羥基與碳纖維表面的羥基官能團進行鍵合,結果復合材料的拉伸強度和模量提高,空氣孔隙率下降[2]。早在1947年美國JohnsHopkins大學的WittRW等在一份報告中指出,在對烷基氯硅烷偶聯劑處理玻璃纖維表面的研究中發現,用含有能與樹脂反應的硅烷基團處理玻璃纖維制成聚酯玻璃鋼,其強度可提高2倍以上[3]。他們認為,用烷基氯硅烷水解產物處理玻璃纖維表面,能與樹脂產生化學鍵。這是人們第一次從分子的角度解釋表面處理劑在界面中的狀態。硅烷偶聯劑由于在分子中具有這兩類化學基團,因此既能與無機物中的羥基反應,又能與有機物中的長分子鏈相互作用起到偶聯的功效,其作用機理大致分以下3步:(1)X基水解為羥基;(2)羥基與無機物表面存在的羥基生成氫鍵或脫水成醚鍵[4];(3)R基與有機物相結合。
應用
在使用硅烷偶聯劑時,為獲得較佳的效果,需對每一個特定的應用場合進行試驗預選。表1示出了根據一般規律及試驗經驗所歸納的不同材料用硅烷偶聯劑。 硅烷偶聯劑一般要用水和乙醇配成很稀的溶液(質量分數為0.005～0.02)使用,也可單獨用水溶解,但要先配成質量分數為0.001的醋酸水溶液,以改善溶解性和促進水解;還可配成非水溶液使用,如配成甲醇、乙醇、丙醇或苯的溶液;也能夠直接使用。硅烷偶聯劑的用量與其種類和填料表面積有關,即硅烷偶聯劑用量(g)=[填料用量(g)×填料表面積(m2·g-1)]/硅烷最小包覆面積(m2·g-1)。如果填料表面積不明確,則硅烷偶聯劑的加入量可確定為填料量的1%左右。
