很多無(wú)機(jī)粉體材料,尤其是石英粉、粘土礦粉、滑石、云母、硅灰石等天然非金屬礦粉體材料 ,是橡膠、塑料工業(yè)的重要填料。在橡膠、塑料基體中, 加入上述非金屬礦粉體填料后形成的復(fù)合材料，其力學(xué)性能在很大程度上受填料和橡膠、塑料基體兩相間應(yīng)力傳遞的控制。這種傳遞要通過(guò)兩相的界面，因而界面性質(zhì)會(huì)影響復(fù)合材料的性質(zhì)。復(fù)合材料的破壞往往是從弱的界面處開始的，提高界面間的粘結(jié)強(qiáng)度是提高復(fù)合材料強(qiáng)度的關(guān)鍵。無(wú)機(jī)非金屬礦物填料與橡膠、塑料基體是兩種性質(zhì)上完全不同的材料，它們之間存在著很大程度上的不相容性。直接使用這些礦物粉體作填料，其界面間易產(chǎn)生剪切應(yīng)力，最終影響復(fù)合材料的性能。因此，作橡膠、塑料填料的非金屬礦粉體，通常需要對(duì)其進(jìn)行表面改性處理，而無(wú)機(jī)礦物類粉體最適合的改性劑，通常用硅烷類偶聯(lián)劑。

　　1、硅烷偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu) 　　

　　硅烷偶聯(lián)劑是一類分子同時(shí)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，它們可用以下通式表示：

　　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(guò)它把Y與Si原子連接起來(lái)；

　　X是可以進(jìn)行水解反應(yīng)，并生成S I - O H的基團(tuán)，一般硅烷偶聯(lián)劑含有三個(gè)可水解基團(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(shí)，使 Si — X能化為Si — OH，而 Si — OH與被處理的無(wú)機(jī)粉體表面的OH形成氫鍵，同時(shí)進(jìn)行加熱，產(chǎn)生縮合脫水反應(yīng)，形成其價(jià)鍵結(jié)合。由此通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑可將無(wú)機(jī)粉體材料與有機(jī)高分子材料之間產(chǎn)生一種良好的界面結(jié)合，使兩者可緊密地結(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(duì)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(duì)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(duì)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)劑與無(wú)機(jī)粉體的作用機(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。此理論認(rèn)為：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(wú)機(jī)材料 O H 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(jià)鍵；另一端又能與有機(jī)高分子材料結(jié)合，從而使有機(jī)高分子材料—硅烷偶聯(lián)劑—無(wú)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)劑與無(wú)機(jī)粉體的反應(yīng)過(guò)程如下圖。

　　該反應(yīng)過(guò)程分為四步：

　　步是硅烷偶聯(lián)劑中與 Si 相連的3個(gè)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S i — O H 的低聚硅氧烷；

　　第三步是低聚硅氧烷的 Si — OH 與 無(wú)機(jī)粉體表面上的 OH 反應(yīng)，形成氫鍵；

　　第四步是加熱的過(guò)程中產(chǎn)生脫水及固化，達(dá)到與無(wú)機(jī)粉體形成牢固的共價(jià)鍵結(jié)合。

　　3、硅烷偶聯(lián)劑種類及適用對(duì)象

　?。?）硅烷偶聯(lián)劑種類

　　根據(jù)分子結(jié)構(gòu)中R基的不同，硅烷偶聯(lián)劑可分為氨基硅烷、環(huán)氧基硅烷、硫基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、乙烯基硅烷、脲基硅烷以及異氰酸酯基硅烷等。

　?。?）硅烷偶聯(lián)劑適用對(duì)象

　　硅烷偶聯(lián)劑可用于許多無(wú)機(jī)粉體，如填料或顏料的表面處理，其中對(duì)含硅酸成分較多的石英粉、玻璃纖維、白炭黑等效果更好，對(duì)高嶺土、水合氧化鋁、氧化鎂等效果也比較好，對(duì)不含游離酸的鈦酸鈣效果欠佳。

　　（3）硅烷偶聯(lián)劑選擇

　　選擇硅烷偶聯(lián)劑對(duì)無(wú)機(jī)粉體進(jìn)行表面改性處理時(shí)，一定要考慮聚合物基料的種類，也即一定要根據(jù)表面改性后無(wú)機(jī)粉體的應(yīng)用對(duì)象和目的來(lái)仔細(xì)選擇硅烷偶聯(lián)劑。

　　4、 硅烷偶聯(lián)劑的使用方法及用量

　　（1）硅烷偶聯(lián)劑使用方法：

　　應(yīng)用硅烷偶聯(lián)劑的方法有兩種：

　　一種是將硅烷配成水溶液，用它處理無(wú)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，該方法表面改性處理效果好，是常用的表面改性方法。

　　另一種方法是將硅烷與無(wú)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。

　　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(huì)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(huì)自行縮聚而失效。

　　（2）硅烷偶聯(lián)劑用量計(jì)算：

　　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)，假設(shè)為單分子層吸附，可按下式進(jìn)行計(jì)算：

　　硅烷偶聯(lián)劑用量=（填料質(zhì)量×填料比表面積）/硅烷偶聯(lián)劑最小包覆面積

　　硅烷偶聯(lián)劑最小包覆面積與硅烷偶聯(lián)劑的品種不同而異。一般來(lái)說(shuō)，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(wú)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(wú)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。