摘要：硅烷偶联剂是一类具有特殊结构的低分子有机硅化合物，其通式为 YSiX_3YSiX3，其中：Y 代表非水解基团，通常是有机官能团，如氨基、巯基、环氧基、乙烯基、氰基及甲基丙烯酰氧基等。这些基团可以与有机聚合物中的长链分子发生化学反应。

硅烷偶联剂是一类具有特殊结构的低分子有机硅化合物，其通式为 YSiX_3YSiX3，其中：Y 代表非水解基团，通常是有机官能团，如氨基、巯基、环氧基、乙烯基、氰基及甲基丙烯酰氧基等。这些基团可以与有机聚合物中的长链分子发生化学反应。

X 代表可水解基团，如卤素、烷氧基、酰氧基等。这些基团在水的作用下可以水解成硅羟基（Si-OH），进而与无机材料表面的羟基发生缩合反应。

作用机理

硅烷偶联剂在两种不同性质材料之间的界面作用机理已有多种解释，如化学键理论、可逆平衡理论和物理吸附理论等。但是，界面现象非常复杂，单一的理论往往难以充分说明。通常情况下，化学键合理论能够较好地解释硅烷偶联剂同无机材料之间的作用。

耦合机构烷氧基与许多无机填料的表面基团反应。它们首先与水反应生成硅烷三醇，并释放出副产物醇。然后硅烷醇基团与填料表面上的氧化物或羟基缩合。相邻的硅氧烷链可以进一步相互作用，在表面产生聚硅氧烷层。

典型硅烷（γ-氨基丙基三甲氧基硅烷）与硅质基材的偶联

硅烷需要填料表面上的活性位点（优选羟基）才能发生反应。因此，它们可用于改性所有：硅酸盐类填料、无机金属氧化物和氢氧化物。

通常来说具体过程如下：

润湿：硅烷偶联剂具有较低的表面张力和较高的润湿能力，可以迅速在无机材料表面铺展开。

水解：硅烷偶联剂上的可水解基团（X）在水的作用下水解成硅羟基（Si-OH）。

缩合：硅羟基与无机材料表面的羟基发生缩合反应，形成化学键。

交联：硅烷偶联剂上的有机官能团（Y）与有机聚合物中的长链分子发生化学反应，形成交联结构。

选用硅烷偶联剂的一般原则

硅烷偶联剂的水解速度取于硅能团Si-X，而与有机聚合物的反应活性则取于碳官能团C-Y。因此，对于不同基材或处理对象，选择适用的硅烷偶联剂至关重要。

选择的方法主要通过试验预选，并应在既有经验或规律的基础上进行。例如，在一般情况下，不饱和聚酯多选用含CH2=CMeCOO、Vi及CH2-CHOCH2O－的硅烷偶联剂；环氧树脂多选用含CH2－CHCH2O及H2N－硅烷偶联剂；酚醛树脂多选用含H2N－及H2NCONH－硅烷偶联剂；聚烯烃选用乙烯基硅烷；使用硫黄硫化的橡胶则多选用烃基硅烷等。

由于异种材料间的黏接可度受到一系列因素的影响，诸如润湿、表面能、界面层及极性吸附、酸碱的作用、互穿网络及共价键反应等。因而，光靠试验预选有时还不够精确，还需综合考虑材料的组成及其对硅烷偶联剂反应的敏感度等。

为了提高水解稳定性及降低改性成本，硅烷偶联剂中可掺入三烃基硅烷使用；对于难黏材料，还可将硅烷偶联剂交联的聚合物共用。硅烷偶联剂用作增黏剂时，主要是通过与聚合物生成化学键、氢键；润湿及表面能效应；改善聚合物结晶性、酸碱反应以及互穿聚合物网络的生成等而实现的。

增黏主要围绕3种体系，即：

（1）无机材料对有机材料；

（2）无机材料对无机材料；

（3）有机材料对有机材料。

对于第一种黏接，通常要求将无机材料黏接到聚合物上，故需优先考虑硅烷偶联剂中Y与聚合物所含官能团的反应活性；后两种属于同类型材料间的黏接，故硅烷偶联剂自身的反亲水型聚合物以及无机材料要求增黏时所选用的硅烷偶联剂。

主要类型

根据有机官能团（Y）的不同，硅烷偶联剂可以分为多种类型，常见的包括：

氨基硅烷：如 γ-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）

巯基硅烷：如 γ-巯丙基三甲氧基硅烷

环氧基硅烷：如 γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）

乙烯基硅烷：如乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）

氰基硅烷：如 β-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷

甲基丙烯酰氧基硅烷：如 γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS）

硅烷偶联剂 – 优点

提高弯曲强度

硅烷偶联剂具有赋予良好机械性能的优点，例如拉伸强度、弯曲强度和压缩强度。下图显示了使用硅烷偶联剂获得的玻璃纤维增强环氧树脂的弯曲强度的提高。

提高弯曲强度

更高的模量填充橡胶后使用硅烷偶联剂还具有赋予更高模量的另一个优点。粘土填充橡胶的这种改进如下表所示。

改进填料和颜料分散

使用硅烷偶联剂可以显著改善填料和颜料在树脂中的分散性（见下图）。这种改善是由于水分层的置换或改性，减少了颗粒的结块，提高了聚合物的润湿性。

改善分散性

这种改进的分散性通常会减少空气阻塞，从而减少空隙并降低浆料粘度。更容易的成型流动或增加廉价填料的比例，或两者兼而有之，都是可能的。更高的生产率由于添加硅烷偶联剂可以降低复合材料的粘度（下表），因此通常可以观察到混炼和注塑成型中的加工性能得到改善，从而提高生产率。

较少的固化抑制

已知填料对热固性树脂的固化具有不同程度的抑制作用。使用硅烷可以覆盖并密封填料表面，以防止填料与固化剂的标签相互作用。在聚酯和环氧树脂中，据观察，填料的硅烷处理通常可以克服固化抑制（通过固化放热曲线测量）（见下表）。允许最大放热的硅烷通常是最有效的偶联剂。

用硅烷偶联剂进行填料处理

硅烷可以通过以下方式改善矿物、二氧化硅、玻璃纤维和珠粒的加工、性能和耐用性：

矿物填料处理矿物填料已成为有机聚合物越来越重要的添加剂和改性剂。矿物表面的金属羟基通常非常疏水，与有机聚合物非常不相容。硅烷非常适合处理矿物表面，使矿物在聚合物中更加相容和分散，甚至使填料成为增强添加剂。在填料处理中用作偶联剂的硅烷可用于许多应用，例如 HFFR 电线电缆化合物、云母填充聚丙烯和聚酰胺以及橡胶中的粘土。

二氧化硅处理

硅烷偶联剂通常用于处理二氧化硅（气相法和沉淀法）处理，在填充聚合物体系中具有很高的效率。硅烷在二氧化硅处理中用作偶联剂，可用于许多应用，如绿色轮胎、鞋底。

玻璃纤维和珠粒处理

硅烷偶联剂是玻璃纤维增强聚合物的关键成分。玻璃非常亲水，可以将水吸引到界面上。如果不对玻璃表面进行硅烷处理，玻璃纤维和树脂之间的结合就会减弱并最终失效，从而使复合材料基本上无用。硅烷偶联剂用于通用应用（例如汽车、船舶、体育用品和建筑）的玻璃处理（纤维、珠粒...），以及印刷电路板和航空复合材料的高性能应用。用硅烷偶联剂处理的玻璃材料可用于热固性塑料或热塑性塑料，或任何其他所需的聚合物体系。

硅烷偶联剂在玻璃填充热塑性塑料中的用途

硅烷偶联剂是玻璃纤维增强热塑性塑料的关键成分。事实证明，它们在使用玻璃增强材料的聚酰胺 (PA) 和聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PBT) 复合材料中具有重要价值。

与硅烷结合的玻璃增强热塑性塑料最重要的优点是：改善电气性能、提高复合材料的机械强度、提高界面的抗湿气侵蚀能力，从而生产出更耐用的复合材料。

聚酰胺玻璃纤维

聚酰胺是在有机酸和胺之间的可逆反应中形成的，产生“聚酰亚胺”，其凭借这种可逆性在高温下与其他胺反应。玻璃表面上的氨基或氯丙基官能硅烷有助于与酰胺基团配位，并可能将聚酰胺偶联到玻璃表面、二氧化硅、云母等上。

PBT玻璃珠

PBT本质上比 PA 极性较小且反应性较低。因此，硅烷在提高增强复合材料的物理强度方面效果较差。然而，XIAMETER™ OFS-6040 硅烷可有效改善玻璃珠填充 PBT 的物理性能，如下表所示。

偶联剂的选用原则

1.硅烷类偶联剂主要适用于玻璃纤维及含硅填料，如石英、硅灰石等，也可用于部分金属的氧化物及氢氧化物，但不适用于CaCO3。树脂主要为热固性树脂。

2. 钛酸酯类偶联剂对填料的适用范围广，如CaCO3，钛白粉等，还可用于玻璃纤维中。树脂主要为热塑性树脂。

3.酸性填料应选用含碱性官能团的偶联剂，而碱性填料应选用含酸性官能团的偶联剂。

4.偶联剂加入量。硅烷偶联剂的用量可为填料的1%左右；钛酸酸类用量一般为填料的0.25~2%。

5.一些表面活性剂会影响钛酸酯偶联剂用的发挥，如HSt等，因此它们必须在填料、偶联剂、树脂充分混合后加入。

来源：塑连网-小郭