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硅烷偶联剂知识三

三、硅烷偶联剂选用原则

将硅原子上有机官能基团和要结合的树脂聚合物类型进行匹配,可以指导在特定应用中使用哪种硅烷偶联剂。在硅烷上的有机基团可以是反应性有机基团(如有机官能基团 ),也可是非反应性有机基团。这些基团可以是疏水性或亲水性,或具有多种热稳定特性。因为有机结构不同,基团的溶解度参数各异;一定程度上,这将影响聚合物体系和用于表面处理的硅氧烷体系之间的相互渗透。表1列出了常见的用于硅原子有机取代基的一些特征。硅烷的选择应该包括匹配化学反应性、溶解性、结构特征,甚至还有在聚合物结构中具有相同参数的有机硅烷的热稳定性。

被处理物(基体)单位比表面积所占的反应活性点数目以及硅烷偶联剂覆盖表面的厚度是决定基体表面硅基化所需偶联剂用量的关键因素。为获得单分子层覆盖,需先测定基体的Si-OH含量。已知,多数硅质基体的Si-OH含是来4-12个/µ㎡,因而均匀分布时,1mol硅烷偶联剂可覆盖约7500m2的基体。具有多个可水解基团的硅烷偶联剂,由于自身缩合反应,多少要影响计算的准确性。若使用Y3SiX处理基体,则可得到与计算值一致的单分子层覆盖。但因Y3SiX价昂,且覆盖耐水解性差,故无实用价值。此外,基体表面的Si-OH数,也随加热条件而变化。

例如,常态下Si-OH数为5.3个/µ㎡硅质基体,经在400℃或800℃下加热处理后,则Si-OH值可相应降为2.6个/µ㎡或<1个/µ㎡。反之,使用湿热盐酸处理基体,则可得到高Si-OH含量;使用碱性洗涤剂处理基体表面,则可形成硅醇阴离子。硅烷偶联剂的可润湿面积(WS),是指1g硅烷偶联剂的溶液所能覆盖基体的面积(㎡/g)。若将其与含硅基体的表面积值(㎡/g)关连,即可计算出单分子层覆盖所需的硅烷偶联剂用量。以处理填料为例,填料表面形成单分子层覆盖所需的硅烷偶联剂W(g)与填料的表面积S(㎡/g)及其质量成正比,而与硅烷的可润湿面积WS(㎡/g)成反比。据此,得到硅烷偶联剂用量的计算公式如下:硅烷用量(g)=某些常见填料的表面(S)值。

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