硅烷偶联剂化学及其应用


一、硅烷偶联剂化学

1、硅烷的结构

Y-R- Si Men X3-n

Y(有机基团)

(1)环氧epoxide;(2)甲基丙稀酰氧基methacrylate;(3)巯基mercaptan(SH);(4)氨基amine;(5)烷基alkyl;(6)异氰酸酯基isocyanate;(7)乙烯基vinyl。

注:X为可水解基团,可与含羟基无机材料反应。X基团越大,水解越慢,主链上的Me基团进一步减慢了水解反应。

X(可水解基团)

Cl、Me-O-、Et-O-、i-Pr-O-、MeO-CH2CH2-O-

注:Y为有机官能团,可与高分子发生化学反应或形成氢键等,从而与高分子形成牢固的结合。

2、常用硅烷

3、硅烷的偶联和交联作用

二、有机(聚合物)分子之间形成化学键

每个已接枝的硅烷基团(-Si[OR]3)含有三个可交联点;

交联需要湿气并放出醇;

交联提高耐化学性和耐UV性。

如用于:交联聚乙烯电缆,管材;水性涂料的耐水性,耐化学品,耐擦洗。

1、硅烷的偶联作用

(1)在有机-无机界面形成化学键接;

(2)防止湿气沿着界面渗透;

(3)防止界面破坏;

(4)将强度由填料传递到树脂;

(5)提高填料的分散性或降低材料的粘度。

2、硅烷的水解反应

所有硅烷都对湿气敏感。

通常X=甲氧基、乙氧基、异丙氧基等。

X=Cl迅速水解,但很少用因水解的产物(HCl)有腐蚀性。

三、影响硅烷水解和缩聚反应的因素

1、硅烷在水中的浓度;

2、硅烷水溶液的pH值;

3、催化剂;

4、硅烷的水溶解性;

5、空间位阻和极性因素。

四、A-187 和其三醇的水解和缩聚反应速度

1、硅烷的水解反应原理

(1)特种的酸和一般的碱可催化水解反应;

(2)水解反应在pH7时最慢;

(3)在pH小于4或大于7时,可促进低聚物的形成;

(4)Y吸电子基团可加速水解反应如氨基硅烷;

(5)与水不混溶的硅烷水基慢如;

(6)硅链上的大基团会减慢水解反应;

(7)醇类溶剂减慢水解反应;

(8)硅烷三醇不稳定,容易进一步缩聚。

2、硅烷水解的催化剂

任何酸或碱可催化水解反应:

(1)天然酸,如盐酸,硫酸和磷酸;

(2)氢氧化物和醇盐,如苛性苏打;

(3)锡IV和锡II复合物,如二月桂酸二丁锡;

(4)钛酸酯,如四-异丙氧基钛酸酯;

(5)锆盐,如乙氧锆;

(6)磷复合物,如磷酸盐和亚磷酸盐的水解产物;

(7)胺,如三丁基胺和咪唑啉。

3、硅烷有机基团的主要化学反应

(1)烯基硅烷偶联剂

CH2=CH-SiX3

CH2=CH-(CH2)n-SiX3

a.聚合与共聚反应

b.加成反应

(2)含氨基的硅烷偶联剂

H2N-C3H6Si(OR)3

a.加成反应

b.与羧酸衍生物反应

(3)含环氧的硅烷偶联剂

a.与氨基加成反应

b.环氧基团与羧基反应

c.与羟基在强碱或双金属催化加成反应

(4)含巯基的硅烷偶联剂

a.与含不饱和基团的有机物加成反应

五、硅烷应用

1、硅烷偶联剂的功能

(1)是可用作基体间的弹性桥联剂,即改善两种不同化学性能材料之间的粘接性,达到提高制品的机械、电绝缘、抗老化及憎水等综合性能的目的;

(2)是可用作材料表面改性剂,赋予防水、防静电、防霉、防臭、抗血凝及生理惰性等性能;

(3)是用作非交联聚合物体系的交联固化剂,使其实现常温常压固化。

2、硅烷在涂料中的应用

(1)增强附着力

a.在有机聚合物与无机氧化物之间增加附着力

b.在难附着的有机底材上增强附着力

(2)交联剂(提高耐水性)

a.可反应性聚合物

b.具有潮气固化反应的特点

3、硅烷在橡胶中的应用

硅烷偶联剂主要用在白炭黑中,与白炭黑和橡胶起反应,主要作用是:

(1)增加白炭黑与橡胶的结合力;

(2)增加产品的耐磨性;

(3)减小产品的滚动阻力。

硅胶-硅烷-橡胶偶联剂作用机理:

4、硅烷在胶黏剂中的应用

性能优点:优异的附着力、提高拉伸强度和弹性

作用原理:Y表示乙烯基、环氧基、氨基、等有机官能团,常与胶黏剂基体树脂中的有机官能团发生反应;X表示氯基、甲氧基、乙氧基等,這些基团易水解成硅醇而与无机材料(玻璃、硅石、金属等)表面的氧化物或羟基反应,生成稳定的硅氧键。因此,通過使用硅烷偶联剂“分子桥”,把兩种完全不同的材料粘结在一起。

5、提高填料填充聚合物性能

(1)提高填料在聚合物中的分散性;

(2)提高机械强度(撕裂强度,拉伸强度,断裂伸长率,冲击强度);

(3)降低挤出和加工过程中产生的热;

(4)防止过早热分解;

(5)提高湿态电气性能和湿态机械性能。

硅烷的有机官能团和树脂相匹配令性能显著提高。

6、硅烷的防水性

性能优点:

(1)显著的憎水性能;

(2)显著降低石膏、水泥等建材的吸水率;

(3)良好的呼吸透气性;

(4)提高建材耐碱、盐、酸的侵蚀能力。

应用:瓷砖、混凝土、石材。

硅烷:YC-1004,YC-1005

7、硅烷与烯烃交联反应

将热塑性聚乙烯通过分子之间的化学键形成三维的分子结构,阻止材料重新熔融的过程。

作用:

(1)提高长期使用温度;(2)提高耐蠕变性;(3)提高耐溶剂性;(4)提高耐应力开裂性。

应用:

(1)电线电缆:用于低压和中压电力电缆的绝缘;(2)管材:水管和地板采暖管;(3)热收缩产品:电力电缆的片材;(4)薄膜:耐蠕变和收缩用途。

8、硅烷在玻璃纤维中的应用

性能优点-提高玻璃钢的力学性能

9、有机硅烷对无机材料的反应性

六、常见硅烷偶联剂分类及型号

1、氨基:A-1100,A-1102,A-1110,A-1170

2、双氨基:A-1120,A-2120

3、三氨基:A-1130

4、异氰酸酯:A-1310

5、环氧:A-186,A-187

6、甲基丙烯酰氧基:A-174

7、巯基:A-1891

8、聚硫:A-1289,A-1589

9、脲基:A-1160,A-1524

10、乙烯基:A-171,A-151,A-172,A-2171,RC-1

11、硅脂:A-137,A-162,A-1230,A-1630

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