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硅烷偶联剂知识四

四、硅烷偶联剂的用法

1、表面处理法 

此法系通过硅烷偶联剂将无机物与聚合物两界面连结在一起,以获得最佳的润湿值与分散性。表面处理法需将硅烷偶联剂酸成稀溶液,以利与被处理表面进行充分接触。所用溶剂多为水,醇或水醇混合物,并以不含氟离子的水及价廉无毒的乙醇、异丙醇为宜。

除氨烃基硅烷外,由其他硅烷配制的溶液均需加入醋酸作水解催化剂,并将pH值调至3.5-5.5。长链烷基及苯基硅烷由于稳定性较差,不宜配成水溶液使用。氯硅烷及乙酰氧基硅烷水解过程中,将伴随严重的缩合反应。

也不适于制成水溶液或水醇溶液使用,对于水溶性较差的硅烷偶联剂,可先加入0.1%-0.2%质量分数的非离子型表面活性剂,而后再加水加工成水乳液使用。为了提高产品的水解稳定性的经济效益,硅烷偶联剂中还可掺入一定比例的非碳官能硅烷。处理难黏材料时,可使用混合硅烷偶联剂或配合使用碳官能硅氧烷。   

配好处理液后,可通过浸渍、喷雾或刷涂等方法处理。一般说,块状材料、粒状物料及玻璃纤维等多用浸渍法处理;粉末物料多采用喷雾法处理;基体表面需要整体涂层的,则采用刷涂法处理。

2、使用硅烷偶联剂醇水溶液处理法

此法工艺简便,首先由95%EtOH5%H2O配成醇水溶液,加入AcOH使pH 4.5-5.5。搅拌下加入硅尝偶联剂使浓度达2%,水解5min后,即生成含SiOH的水解物。当用其处理玻璃板时,可在稍许搅动下浸入1-2min,取出并浸入EtOH中漂洗2次,晾干后,移入110的烘箱中烘干5-10min,或在室温及相对湿度60%条件下干燥24h,即可得产物。  如果使用氨烃基硅烷偶联剂,则不必加HOAc。但醇水溶液处理法不适用于氯硅烷型偶联剂,后者将在醇水溶液中发生聚合反应。当使用2%浓度的三官能度硅烷偶联剂溶液处理时,得到的多为3-8分子厚的涂层。

3、使用硅烷偶联剂水溶液处理

工业上处理玻璃纤维大多采用此法。具体工艺是先将烷氧基硅烷偶联剂溶于水中,将其配成0.5%-2.0%的溶液。对于溶解性较差的硅烷,可事先在水中加入0.1%非离子型表面活性剂配制成水乳液,再加入AcOHpH调至5.5。然后,采用喷雾或浸渍法处理玻璃纤维。取出后在110-120下固化20-30min即得产品。

由于硅烷偶联剂水溶液的稳定性相差很大,如简单的烷基烷氧基硅烷水溶液仅能稳定数小时,而氨烃硅烷水溶液可稳定几周。由于长链烷基及芳基硅烷水溶液仅能稳定数小时,而氨烃硅水溶液可稳定几周。由于长链烷基及世基硅烷的溶解度参数低,故不能使用此法。配制硅烷水溶液时,无需使用去离子水,但不能使用含所氟离子的水。

4、使用硅烷偶联剂有机溶剂配成的溶液处理

使用硅烷偶联剂溶液处理基体时,一般多选用喷雾法。处理前,需掌握硅烷用量及填料的含水量。将偶联剂先配制成25%的醇溶液,而后将填料置入高速混合器内,在搅拌下泵入呈细雾状的硅烷偶联剂溶液,硅烷偶联剂的用量约为填料质量的0.2%-1.5%,处理20min即可结束,随后用动态干燥法干燥之。

除醇外,还可使用酮酯、及烃类作溶剂,并配制成1%-5%(质量分数)的浓度。为使硅烷偶联剂进行水解,或部分水解溶剂中还需加入少量水,甚至还可加入少许HOAc作水解催化剂,而后将待处理物料在搅拌下加入溶液中处理,再经过滤,及在80-120下干燥固化数分钟,即可得产品。

采用喷雾法处理粉末填料,还可使用硅烷偶联剂原液或其水解物溶液。当处理金属、玻璃及陶瓷时,宜使0.5%-2.0%(质量分数)浓度的硅烷偶联剂醇溶液,并采用浸渍、喷雾及刷涂等方法处理,根据基材的处形及性能,既可随即干燥固化,也可在80-180下保持1-5min达到干燥固化。

5、整体掺混法

整体掺混法是在填料加入前,将硅烷偶联剂原液混入树脂或聚合物内。因而,要求树脂或聚合物不得过早与硅烷偶联剂反应,以免降低其增黏效果。此外,物料固化前,硅烷偶联剂必须从聚合物迁移到填料表面,随后完成水解缩合反应。

为此,可加入金属羧酸酯作催化剂,以加速水解缩合反应。此法对于宜使用硅烷偶剂表面处理的填料,或在成型前树脂及填料需经混匀搅拌处理的体系,尤为方便有效,还可克服填料表面处理法的某些缺点。有人使用各种树脂对比了掺混法及表面处理法的优缺点。认为:在大多数情况下,掺混法效果亚于表面处理法。掺混法的作用过程是硅烷偶剂从树脂迁移到纤维或填料表面,并过而与填料表面作用。

因此,硅烷偶联掺入树脂后,须放置一段时间,以完成迁移过程,而后再进行固化,方能获得较佳的效果。还从理论上推测,硅烷偶联剂分子迁移到填料表面的理,仅相当于填料表面生成单分子层的量,故硅烷偶联剂用量仅需树脂质量的0.5%-1.0%。还需指出,在复合材料配方中,当使用与填料表面相容性好、且摩尔质量较低的添加剂,则要特别注意投料顺序,即先加入硅烷偶联剂,而后加入添加剂,才能获得较佳的结果。

 

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