矽烷偶聯劑的使用

Gelest為(wei) 膠粘劑和密封劑應用提供各種功能的產(chan) 品。

矽烷可用於(yu) 金屬底漆、結合生物材料、固定催化劑、提供交聯以及改善聚合物和顆粒分散性。它們(men) 還可以增強粘合劑的粘合力，增加電氣性能，最大限度地提高複合材料強度，並提高機械性能。

一、什麽(me) 是矽烷偶聯劑？

矽烷偶聯劑可以在有機和無機材料之間形成持久的粘接。矽烷偶聯劑的一般式通常顯示兩(liang) 類官能團：可水解基團X和有機官能團R。

X是可水解基團，通常是烷氧基、酰氧基、鹵素或胺。水解後，形成反應性矽醇基團，該基團可以與(yu) 其他矽醇基團（例如矽質填料表麵的矽醇基團）縮合，形成矽氧烷鍵。鋁、鋯、錫、鈦、鎳等其他氧化物也形成穩定的縮合產(chan) 物。與(yu) 硼、鐵和碳的氧化物形成不太穩定的鍵。堿金屬氧化物和碳酸鹽不能與(yu) Si-O-形成穩定的鍵。R基團是一種不可水解的有機自由基，可能具有賦予所需特性的功能。

有機矽烷與(yu) 基材反應的最終結果包括改變基材的潤濕性或粘附特性，利用基材催化非均相界麵的化學轉化，對界麵區域進行排序，並改變其分配特性。值得注意的是，它包括影響有機和無機材料之間共價(jia) 鍵的能力。

二、矽烷偶聯劑是如何工作的？

大多數廣泛使用的有機矽烷具有一種有機取代基和三種可水解取代基。在絕大多數表麵處理應用中，三烷氧基矽烷的烷氧基被水解形成含矽醇的物質。這些矽烷的反應包括四個(ge) 步驟。

雖然是按順序描述的，但這些反應可以在初始水解步驟後同時發生。在界麵處，有機矽烷的每個(ge) 矽到襯底表麵通常隻有一個(ge) 鍵。剩下的兩(liang) 個(ge) 矽醇基團以縮合或遊離形式存在。R基團仍可用於(yu) 共價(jia) 反應或與(yu) 其他相的物理相互作用。矽烷可以在無水條件下改性表麵，符合單層和氣相沉積要求。在高溫（50°C-120°C）下，典型的反應時間延長（4-12小時）。在烷氧基矽烷中，隻有甲氧基矽烷在沒有催化作用的情況下對氣相沉積有效。氣相沉積有效的矽烷是環氮雜矽烷。

水解注意事項

水解用水可能來自多種來源。它可以被添加，它可能存在於(yu) 基材表麵，或者它可能來自大氣。矽烷的聚合度由可用水的量和有機取代基決(jue) 定。如果將矽烷添加到水中且溶解度低，則有利於(yu) 高度聚合。多重有機取代，特別是當涉及苯基或叔丁基時，有利於(yu) 形成穩定的單體(ti) 矽醇。

聚矽氧烷層的厚度也由矽氧烷溶液的濃度決(jue) 定。雖然通常需要單層吸附，但多層吸附是由通常使用的溶液產(chan) 生的。據計算，從(cong) 0.25%的矽烷溶液沉積到玻璃上可以產(chan) 生三到八個(ge) 分子層。這些多層層可以通過鬆散的網絡結構相互連接，也可以混合在一起，或者兩(liang) 者兼而有之，事實上，它們(men) 是由大多數沉積技術形成的。官能團在基材表麵的取向通常是水平的，但不一定是平麵的。

與(yu) 表麵形成共價(jia) 鍵具有一定的可逆性。當水被去除時，通常通過加熱到120°C30-90分鍾或排空2-6小時，鍵可能會(hui) 形成，斷裂和重組以緩解內(nei) 應力。相同的機製可以允許接口組件的位置位移。

三、如何使用矽烷偶聯劑？

1.水性酒精沉澱

從(cong) 酒精水溶液中沉積是製備矽烷化表麵的方法之一。用乙酸將95%乙醇-5%水溶液調節至pH 4.5-5.5。在攪拌下加入矽烷，產(chan) 生2%的最終濃度。應留出五分鍾進行水解和矽醇形成。將大物體(ti) （例如玻璃板）浸入溶液中，輕輕攪拌，並在 1-2 分鍾後取出。通過短暫浸入乙醇中來衝(chong) 洗掉多餘(yu) 的材料。顆粒（例如填充物和載體(ti) ）通過在溶液中攪拌 2-3 分鍾然後傾(qing) 析溶液來矽烷化。通常用乙醇短暫衝(chong) 洗顆粒兩(liang) 次。矽烷層在110°C下固化5-10分鍾，或在室溫（<60%相對濕度）下固化24小時。

2.從(cong) 水溶液中沉澱

大多數商業(ye) 玻璃纖維係統都采用水溶液沉積。烷氧基矽烷以0.5-2.0%的濃度溶於(yu) 水。對於(yu) 溶解度較低的矽烷，在矽烷之前加入0.1%的非離子表麵活性劑，並製備乳液。用乙酸將溶液調節至pH 5.5。將溶液噴灑到基材上或用作浸漬浴。在110-120°C下固化20-30分鍾。對於(yu) 簡單的烷基矽烷，矽烷水溶液的穩定性在2-12小時之間變化。溶解度參數差限製了該方法對長鏈烷基和芳香族矽烷的使用。蒸餾水不是必需的，但必須避免使用含有氟離子的水。

3.散裝沉澱到粉末上

在粉末上的大量沉積，例如填料處理，通常通過噴塗方法完成。它假設所需的矽烷總量是已知的，並且填料上存在足夠的吸附水分以引起矽烷的水解。矽烷被製備為(wei) 25%的酒精溶液。粉末被放置在高強度固體(ti) 混合器中，例如帶增壓器的雙錐混合器。如果填料在托盤中幹燥，則必須注意通過調節熱量和氣流來避免處理材料頂層的芯吸或結皮。

4.積分混合方法

整體(ti) 混合方法用於(yu) 複合配方。在這種方法中，矽烷用作簡單的添加劑。複合材料可以通過在複合之前將烷氧基矽烷添加到聚合物和填料的幹共混物中來製備。通常，通過將醇載體(ti) 中的矽烷噴灑到預混料上來分散0.2-1.0重量百分比的矽烷（總混合物）。在這種技術中，將矽烷添加到非分散填料中是不可取的，因為(wei) 它會(hui) 導致團聚。將混合物短暫幹混，然後熔融複合。在熔體(ti) 複合過程中，對矽烷反應的副產(chan) 物進行真空去揮發對於(yu) 實現最佳性能是必要的。有時通過在分散前向矽烷中加入0.5-1.0%的鈦酸四丁酯或苄基二甲胺來增強性能。

5.無水液相沉積

氯矽烷、甲氧基矽烷、氨基矽烷和環氮雜矽烷的無水液相沉積是小顆粒和納米特征基板的一個(ge) 選擇。製備含有5%矽烷的甲苯、四氫呋喃或烴類溶液。將混合物與(yu) 待處理的基材一起回流12-24小時。用溶劑洗滌。然後通過空氣或防爆烘箱幹燥除去溶劑。無需進一步治愈。該反應涉及表麵矽醇對矽烷氯的直接親(qin) 核置換。如果需要單層沉積，則應在150°C下預幹燥4小時。如果基板上存在吸附水，則會(hui) 導致大量沉積。這種方法對於(yu) 大規模製備來說很麻煩，必須建立嚴(yan) 格的控製以確保結果的可重複性。使用一氯矽烷可獲得更可重複的覆蓋率。

6.氯矽烷

氯矽烷也可以從(cong) 酒精溶液中沉積。無水醇，特別是乙醇或異丙醇，是好的選擇。將氯矽烷加入醇中，得到2-5%的溶液。氯矽烷與(yu) 醇反應產(chan) 生烷氧基矽烷和鹽酸——應使用適當的通風。通過停止 HCl 逸出來觀察反應的進展。溶液的溫和升溫（30-40°C）促進反應的完成。部分 HCl 與(yu) 酒精反應生成少量烷基鹵化物和水。水導致烷氧基矽烷形成矽醇。矽醇凝結在基材上。將處理過的基材在110°C下固化5-10分鍾或在室溫下靜置24小時。

7.氣相沉積矽烷

氣相沉積矽烷可以通過化學氣相沉積方法在幹燥、非質子條件下應用於(yu) 基材。這些方法有利於(yu) 單層沉積。雖然在適當的條件下，幾乎所有的矽烷都可以以氣相應用於(yu) 基材，但那些在100°C時蒸氣壓>5托的矽烷已經實現了最多的商業(ye) 應用。在密閉腔室設計中，基板支撐在矽烷儲(chu) 罐上方或附近，並將儲(chu) 罐加熱到足夠的溫度以達到 5 mm 蒸氣壓。或者，可以施加真空，直到觀察到矽烷蒸發。在另一種變化中，矽烷可以製備為(wei) 甲苯溶液並回流，允許足夠的矽烷通過分壓貢獻進入氣相。一般情況下，底物溫度應保持在50°C至120°C之間，以促進反應。環狀氮雜矽烷沉積速度最快，通常不到 5 分鍾。胺官能團矽烷通常在沒有催化劑的情況下快速沉積（30分鍾內(nei) ）。其他矽烷的反應需要延長反應時間，通常為(wei) 4-24小時。可以通過添加催化量的胺來促進反應。

8.旋裝

旋裝應用是在有利於(yu) 最大功能化和多層沉積的水解條件下實現的，或者是在有利於(yu) 單層沉積的幹燥條件下實現的。對於(yu) 水解沉積，製備2-5%的溶液（參見水性酒精沉積）。旋轉速度較低，通常為(wei) 500 rpm。旋轉沉積後，需要保持 3-15 分鍾，然後再用溶劑衝(chong) 洗。幹法沉積采用溶劑溶液，如甲氧基丙醇或乙二醇單乙酸酯（EGMA）;非質子係統使用甲苯或四氫呋喃。矽烷溶液在氮氣吹掃下以低速施加。如果嚴(yan) 格的單層沉積，則應將基板加熱至50°C。 在一些協議中，通過在相對濕度為(wei) 55%的大氣環境下旋轉來誘導有限的多層形成。

9.噴塗應用

噴霧應用配方因最終用途而異。它們(men) 涉及建築和砌體(ti) 應用中使用的酒精溶液和連續水解的水溶液。通過文丘裏管（吸氣器）將含有酸催化劑（如乙酸）的矽烷混合物送入水流中，會(hui) 影響連續水解。穩定的水溶液（參見水性矽烷）、穩定性有限的矽烷混合物（4-8 小時）和乳液用於(yu) 紡織和玻璃纖維應用。與(yu) 聚醋酸乙烯酯或聚酯的複雜混合物作為(wei) 施膠配方進入後一種應用。