硅烷偶聯(lián)劑KH-560

硅烷偶聯(lián)劑KH-560是一類具有特殊結(jié)構(gòu)的低分子有機(jī)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(shí)，首先X基水形成硅醇，然后與無機(jī)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(jià)鍵(M表示無機(jī)粉體顆粒表面)。同時(shí)，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(jī)粉體表面有機(jī)化。

硅烷偶聯(lián)劑在高聚物基復(fù)合材料中的作用機(jī)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-560含有兩種不同的化學(xué)官能團(tuán)，其一端能與無機(jī)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(jià)鍵;另一端又與高聚物基料或樹脂生成共價(jià)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(jī)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(jī)物表面的浸潤與展開，改善了樹脂對無機(jī)增強(qiáng)材料的潤濕能力，使樹脂與無機(jī)增強(qiáng)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(gè)大于10nm的柔性變形層，這個(gè)變形層具有遭受破壞時(shí)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(qiáng)度。 
(4)拘束層理論，認(rèn)為復(fù)合材料中高模量增強(qiáng)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(jī)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(jī)增強(qiáng)材料與樹脂之間時(shí)，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(shí)硅烷偶聯(lián)劑KH-560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(jī)理不但可以解釋界面偶聯(lián)作用機(jī)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(jī)顏料和填料在涂料液態(tài)有機(jī)相中的分散可分為潤濕、解聚及穩(wěn)定化(抗絮凝)3個(gè)階段。由于這些無機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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-560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-560硅烷偶聯(lián)劑產(chǎn)生的氨基硅烷廣泛運(yùn)用于以下范圍。
1、 涂料、粘接劑和密封劑
硅烷偶聯(lián)劑KH-560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(qiáng)
在玻璃纖維增強(qiáng)的熱固性與熱塑性塑料中使用，硅烷偶聯(lián)劑KH-560可大幅度提高在干濕態(tài)下的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)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(shí)，玻璃纖維增強(qiáng)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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-560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-560能大幅度提高無機(jī)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-560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(qiáng)度提高，發(fā)氣量也減少。
6、 樹脂砂輪制造
硅烷偶聯(lián)劑KH-560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-560處理木粉制得的復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量等各項(xiàng)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(jī)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

應(yīng)用硅烷偶聯(lián)劑KH-560的方法有兩種：

一是將硅烷配成水溶液，用它處理無機(jī)粉體后再與有機(jī)高聚物或樹脂基料混合，即預(yù)處理方法;
另一種方法是將硅烷與無機(jī)粉體(如填料或顏料)及有機(jī)高聚物基料混合，即遷移法。
前一種方法的表面改性處理效果好，是常用的表面改性方法。 
多數(shù)硅烷偶聯(lián)劑在使用之前要配成水溶液，即使其預(yù)先水解。水解時(shí)間依硅烷偶聯(lián)劑的品種和溶液的pH值不同而異，從幾分鐘到幾十分鐘不等。配置時(shí)水溶液的pH值一般控制在3～5之間，pH值高于5或低于3將會促進(jìn)聚合物的生成。因此，已配置好的、已水解的硅烷偶聯(lián)劑不能放置太久，否則會自行縮聚而失效。
硅烷偶聯(lián)劑用量與偶聯(lián)劑的品種及填料的比面積有關(guān)，一般來說，實(shí)際用量要小于用上述公式計(jì)算的用量。當(dāng)不知道無機(jī)粉體的比表面積數(shù)據(jù)或硅烷偶聯(lián)劑的最小包覆面積時(shí)，可將硅烷偶聯(lián)劑用量選定為無機(jī)粉體質(zhì)量的0.10%～1.5%。 
大多數(shù)硅烷偶聯(lián)劑既可以用于干法表面改性，也可以用于濕法表面改性。

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(shí)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(jià)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KH-560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(shí)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(shí)際使用時(shí)，偶聯(lián)劑常常在表面形成一個(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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）。