技術(shù) | 用硅烷偶聯(lián)劑改性硅微粉，沒你想得那么簡單！

　　硅微粉被廣泛應(yīng)用于塑料、涂料、橡膠等材料中，既能降低材料成本，又能提高尺寸穩(wěn)定性，并賦予某些特殊的物理化學(xué)性能。然而，硅微粉屬于無機(jī)非金屬材料，與高分子材料相容性差，難分散。為提高硅微粉的應(yīng)用性能，需要對其進(jìn)行表面改性。

　　硅烷偶聯(lián)劑是硅微粉表面改性最常用的改性劑，可將硅微粉親水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H有機(jī)性表面，還可提高有機(jī)高分子材料對其粉體的潤濕性，并通過官能團(tuán)使硅微粉與有機(jī)高分子材料實(shí)現(xiàn)牢固的共價鍵界面結(jié)合。

　　但是，硅烷偶聯(lián)劑的應(yīng)用效果與選用的種類、用量、水解情況、基材特性、有機(jī)高分子材料的應(yīng)用場合、方法及條件等有關(guān)。所以要使用好硅烷偶聯(lián)劑，就要對其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及與硅微粉作用的機(jī)理等進(jìn)行認(rèn)真的研究，這樣才能正確的選擇和使用好硅烷偶聯(lián)劑，設(shè)計(jì)和制造出工藝合理的表改性設(shè)備。

1、硅烷偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

　　硅烷偶聯(lián)劑是一類分子同時含有兩種不同化學(xué)性質(zhì)基團(tuán)的特殊結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅化合物，可用以下通式表示：

Y-R-SiX3

　　式中：Y-R為非水解基團(tuán)，X3為可水解基團(tuán)。Y是可以和有機(jī)化合物起反應(yīng)的基團(tuán)（如乙烯基、氨基、環(huán)氧基、疊氮基等），R是短鏈亞烷基（也稱短鏈烷撐基）通過它把Y與Si原子連接起來；X是可以進(jìn)行水解反應(yīng)，并生成Si-OH的基團(tuán)，一般的硅烷偶聯(lián)劑是含有三個可水解的基團(tuán)。

Y與X是兩類反應(yīng)特性不同的活性基團(tuán)。Y中所帶的基團(tuán)很容易和有機(jī)聚合物中的官能團(tuán)反應(yīng)，從而可以使硅烷偶聯(lián)劑與有機(jī)高分子基料連接。當(dāng)X活性基團(tuán)水解時，使Si-X能化為Si-OH，而Si-OH與被處理的硅微粉表面的OH形成氫鍵，同時進(jìn)行加熱，產(chǎn)生縮合脫水反應(yīng)，形成其價鍵結(jié)合。由此通過硅烷偶聯(lián)劑可將硅微粉體料與有機(jī)高分子材料之間產(chǎn)生一種良好的界面結(jié)合，使兩者可緊密的結(jié)合到一起。

　　在硅烷偶聯(lián)劑這兩類互異的基團(tuán)中，以Y基團(tuán)最為重要，它對有機(jī)高分子制品的性能影響很大，起決定偶聯(lián)劑性能的作用。只有當(dāng)Y基團(tuán)能和對應(yīng)的有機(jī)高分子材料起很好的反應(yīng)效果，才能使其基材的性能得到提高。

　　一般要求Y基團(tuán)要與有機(jī)高分子材料能很好的相溶，并能起到偶聯(lián)的作用。所以對不同的有機(jī)高分子材料應(yīng)考慮選擇適當(dāng)?shù)腨基團(tuán)硅烷偶聯(lián)劑。

2、硅烷偶聯(lián)劑與硅微粉的作用機(jī)理

　　硅烷偶聯(lián)劑比較成熟的作用機(jī)理是化學(xué)鍵結(jié)合理論：硅烷偶聯(lián)劑中含有兩類不同的化學(xué)官能團(tuán)，它的一端能與無機(jī)材料OH反應(yīng)，形成氫鍵，并在一定的條件下縮合、脫水和固化，形成共價鍵；另一端又能與有機(jī)高分材料結(jié)合，從而使有機(jī)高分子材料-硅烷偶聯(lián)劑-無機(jī)材料之間產(chǎn)生一種良好的界面結(jié)合，將兩種性質(zhì)差異較大的材料牢固的結(jié)合在一起。

▲硅烷偶聯(lián)劑與硅微粉的反應(yīng)過程

　　該反應(yīng)過程分為四步：

　　第一步是硅烷偶聯(lián)劑中與Si相連的3個水解基團(tuán)與水反應(yīng)，生成硅醇；

　　第二步是硅醇之間脫水，縮合成Si-OH的低聚硅氧烷；

　  第三步是低聚硅氧烷的Si-OH與硅微粉表面上的OH反應(yīng)，形成氫鍵；

　　第四步是在加熱的過程中產(chǎn)生縮合、脫水及固化反應(yīng)，達(dá)到與硅微粉形成牢固的共價鍵結(jié)合。剩下的兩個Si-OH或者與其它硅烷偶聯(lián)劑中的Si-OH縮合，或者保持游離狀態(tài)。

3、硅烷偶聯(lián)劑的選擇

　　硅微粉的表面改性技術(shù)是一門與應(yīng)用技術(shù)密切相關(guān)的技術(shù)，從應(yīng)用角度來說是具有很強(qiáng)的針對性。由于硅烷偶聯(lián)劑的水解效果取決于Si-X，而與有機(jī)高分子材料的反應(yīng)活性則取決于C-Y。因此對于不同的基材或處理的對象，選擇合適的硅烷偶聯(lián)劑是至關(guān)重要的。

　硅烷偶聯(lián)劑的種類有幾十種：氨基、氯基、鏈烯基、環(huán)氧基、甲基丙烯酰氧基、巰烴基、陽離子基、雙官能團(tuán)等。

　　選擇方法主要是通過試驗(yàn)預(yù)選，并應(yīng)根據(jù)硅烷偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及與硅微粉作用的機(jī)理，同時還需綜合考慮下游產(chǎn)品基料的組成及對硅烷偶聯(lián)劑反應(yīng)的效果等。

　　另外，硅烷偶聯(lián)劑的選擇還應(yīng)考慮是否選擇兩種以上的偶聯(lián)劑。在有些情況下選擇兩種偶聯(lián)劑是十分必要的，可以起到協(xié)同和多功能化的效果。如選擇了兩種以上的偶聯(lián)劑，還應(yīng)認(rèn)真的考慮哪一種偶聯(lián)劑先加或后加的問題。

4、硅烷偶聯(lián)劑在硅微粉表面改性中的應(yīng)用

01 、硅烷偶聯(lián)劑的用量

　　硅烷偶聯(lián)劑的用量是根據(jù)粉體的比表面積所占的反應(yīng)活性點(diǎn)（如Si-OH）的數(shù)量以及硅烷偶聯(lián)劑覆蓋表面的單分子層、多分子層的厚度等決定的。而且硅烷偶聯(lián)劑水解后，其自身也產(chǎn)生縮合反應(yīng)，會影響到計(jì)算用量的準(zhǔn)確性，所以加入量會有所增加。

02、 表面改性工藝的確定

　　根據(jù)所選用的硅烷偶聯(lián)劑與硅微粉反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行確定，需要考慮改性劑的噴灑方式、改性時間，以及改性溫度等，必要時可能還要需要進(jìn)行分級處理，才能保證改性硅微粉的質(zhì)量。

03、 表面改性設(shè)備的選擇

　　硅微粉表面改性設(shè)備的選擇，應(yīng)根據(jù)其表面改性機(jī)理所確定的加工工藝為基準(zhǔn)，選擇和配套無污染的表面改性設(shè)備。目前前國內(nèi)的表面改性設(shè)備比較多，但是有些表面改性設(shè)備沒有遵循硅微粉表面改性的機(jī)理及工藝要求等制造的，造成表面改性的效果不好，因此要對購置的改性設(shè)備進(jìn)行改造和配套后才能達(dá)到較好的效果。　　

5、粉體改性專家--金戈新材

　　從上文看來，制備一款性能優(yōu)異的改性硅微粉并非易事，需從多方面考慮并實(shí)驗(yàn)，費(fèi)時費(fèi)力。然而，這么復(fù)雜又冗長的過程就交給金戈新材吧。

　　金戈新材對硅微粉、氧化鋁、氫氧化鋁、氫氧化鎂等粉體的研究已有20+年經(jīng)驗(yàn)，目前已擁有具有先進(jìn)國際化水平的生產(chǎn)設(shè)備，高效生產(chǎn)；具有快速反應(yīng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，可根據(jù)客戶所用基材、產(chǎn)品指標(biāo)、工藝特色等選擇合適的偶聯(lián)劑研發(fā)對應(yīng)產(chǎn)品或推薦對標(biāo)產(chǎn)品，同時提供專業(yè)的售前售后支持以及分析測試服務(wù)，竭盡全力為客戶提供導(dǎo)熱阻燃高分子系統(tǒng)性解決方案。

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