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硅烷偶聯劑KH-560

硅烷偶聯劑KH-560是一類具有特殊結構的低分子有機硅化合物，其通式為RSiX3，式中R代表與聚合物分子有親和力或反應能力的活性官能團，如氧基、巰基、乙烯基、環氧基、酰胺基、氨丙基等;X代表能夠水解的烷氧基，如鹵素、烷氧基、酰氧基等。 
在進行偶聯時，首先X基水形成硅醇，然后與無機粉體顆粒表面上的羥基反應，形成氫鍵并縮合成—SiO—M共價鍵(M表示無機粉體顆粒表面)。同時，硅烷各分子的硅醇又相互締合齊聚形成網狀結構的膜覆蓋在粉體顆粒表面，使無機粉體表面有機化。

硅烷偶聯劑在高聚物基復合材料中的作用機理主要有以下幾種理論： 
(1)化學鍵理論，認為硅烷偶聯劑KH-560含有兩種不同的化學官能團，其一端能與無機材料，如玻璃纖維、硅酸鹽、金屬氧化物等表面的硅醇基團反應生成共價鍵;另一端又與高聚物基料或樹脂生成共價鍵，從而將兩種不相容的材料偶聯起來。 
(2)表面浸潤理論，認為硅烷偶聯劑提高了玻璃纖維或其他無機材料的表面張力，甚至使其大于樹脂基體的表面張力，從而有利于樹脂在無機物表面的浸潤與展開，改善了樹脂對無機增強材料的潤濕能力，使樹脂與無機增強材料較好地黏合在一起。 
(3)變形層理論，認為硅烷偶聯劑在界面中是可塑的，它可以在界面上形成一個大于10nm的柔性變形層，這個變形層具有遭受破壞時自行愈合的能力，不但能夠松弛界面的預應力，而且能阻止裂紋的擴展，故可改善界面的黏合強度。 
(4)拘束層理論，認為復合材料中高模量增強材料與低模量樹脂之間存在著界面區，而硅烷偶聯劑為其中的一部分。硅烷偶聯劑不僅能與無機物表面產生黏合，而且還有可以與樹脂反應的基團，能將聚合物“緊束”在界面上。當此界面區的模量介于無機增強材料與樹脂之間時，應力可以被均勻地傳遞。
 
(5)可逆水解理論，認為有水存在時硅烷偶聯劑KH-560和玻璃纖維間受應力作用而產生斷裂，但又能可逆的重新愈合。這樣在界面上既有拘束層理論的剛性區域(由樹脂和硅烷偶聯劑交聯生成)，又可允許應力松弛，將化學鍵理論、拘束層理論和變形層理論調和起來。此機理不但可以解釋界面偶聯作用機理，而且也可以說明松弛應力的效應以及抗水保護表面的作用。

無機顏料和填料在涂料液態有機相中的分散可分為潤濕、解聚及穩定化(抗絮凝)3個階段。由于這些無機顏料和填料天然親水，表面易吸附一層水，因此非極性的疏水基料難以使其潤濕和分散。用硅烷偶聯劑對無機顏料和填料進行預處理(表面改性)，硅烷就會取代顏料或填料表面的水，包覆顆粒，使得R基團朝外，變得親油、疏水，而易于被基料潤濕。經過潤濕，基料分子插入無機顏料或填料顆粒之間，將它們隔開，使之分散穩定，防止了沉淀和結塊。無機顏料和填料表面經硅烷偶聯劑處理后，降低了與漆基間的結構化作用，使涂料的黏度大幅度降低，消除了絮凝，即使增大顏料、填料的添加量也不會影響涂料的流動性，而且顏料、填料顆粒的良好分散使最終漆膜的遮蓋力、顯色力和著色力均獲得提高。

硅烷偶聯劑KH-560可立即完全溶于水、醇、芳香族和脂肪碳氫化合物，但丙酮不宜作稀釋劑。

應用及性能
由KH-560硅烷偶聯劑產生的氨基硅烷廣泛運用于以下范圍。
1、 涂料、粘接劑和密封劑
硅烷偶聯劑KH-560是一種優異的粘接促進劑，應用于丙烯酸涂料、粘接劑和密封劑。對于硫化物、聚氨酯、RTV、環氧、腈類、酚醛樹脂、粘接劑和密封劑，氨基硅烷可改善顏料的分散性并提高與玻璃、鋁和鋼鐵的粘接力。
2、玻璃纖維的增強
在玻璃纖維增強的熱固性與熱塑性塑料中使用，硅烷偶聯劑KH-560可大幅度提高在干濕態下的彎曲強度、拉伸強度和層間剪切強度，并顯著提高濕態電氣性能。在干濕態情況下使用這種硅烷時，玻璃纖維增強的熱塑性塑料、聚酰胺、聚酯和聚碳酸酯在浸水以前和以后的抗彎曲強度和抗拉強度均上升。
3、 玻璃纖維和礦物棉絕緣材料
將硅烷偶聯劑KH-560加入酚醛樹脂粘接劑中可提高防潮性及壓縮后的回彈性。
4、礦物填料和樹脂體系
硅烷偶聯劑KH-560能大幅度提高無機填料填充的酚醛樹脂、聚酯樹脂、環氧、聚胺、聚碳酸酯等熱塑性和熱固性樹脂的物理力學性能和電氣性能，并改善填料在聚合物中的潤濕性和分散性。
5、 鑄造應用
使用硅烷偶聯劑KH-560可以降低硅砂鑄造模的酚醛樹脂或呋喃樹脂鍵合劑用量可以降低，并使型砂強度提高，發氣量也減少。
6、 樹脂砂輪制造
硅烷偶聯劑KH-560有助于提高耐磨自硬砂和酚醛粘合劑的粘接性及耐水性。
7、木塑制造中的應用
硅烷偶聯劑KH-560處理木粉制得的復合材料的沖擊強度、彎曲強度、彎曲模量等各項力學性能均有所提高。

石英粉或其他二氧化硅粉體的表面化學改性主要使用硅烷偶聯劑，包括氨基、環氧基、甲基丙烯基、三甲基、甲基和乙烯基等各種硅烷偶聯劑。硅烷偶聯劑的—RO官能團可在水中(包括填料表面所吸附的自由水)水解產生硅醇基，這一基團可與SiO2進行化學結合或與表面原有的硅醚醇基結合為一體，成為均相體系。這樣，既除去了SiO2表面的水分，又與其中的氧原子形成硅醚鍵，從而使硅烷偶聯劑的另一端所攜帶的與高分子聚合物具有很好的親和性的有機官能團—R’牢固地覆蓋在石英或二氧化硅顆粒表面，形成具有反應活性的包覆膜。
 
使用方法

應用硅烷偶聯劑KH-560的方法有兩種：

一是將硅烷配成水溶液，用它處理無機粉體后再與有機高聚物或樹脂基料混合，即預處理方法;
另一種方法是將硅烷與無機粉體(如填料或顏料)及有機高聚物基料混合，即遷移法。
前一種方法的表面改性處理效果好，是常用的表面改性方法。 
多數硅烷偶聯劑在使用之前要配成水溶液，即使其預先水解。水解時間依硅烷偶聯劑的品種和溶液的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將會促進聚合物的生成。因此，已配置好的、已水解的硅烷偶聯劑不能放置太久，否則會自行縮聚而失效。
硅烷偶聯劑用量與偶聯劑的品種及填料的比面積有關，一般來說，實際用量要小于用上述公式計算的用量。當不知道無機粉體的比表面積數據或硅烷偶聯劑的最小包覆面積時，可將硅烷偶聯劑用量選定為無機粉體質量的0.10%～1.5%。 
大多數硅烷偶聯劑既可以用于干法表面改性，也可以用于濕法表面改性。

1、表面預處理法：
將硅烷偶聯劑配成0.5～1%濃度的稀溶液，使用時只需在清潔的被粘表面涂上薄薄的一層，干燥后即可上膠。所用溶劑多為水、醇、或水醇混合物，并以不含氟離子的水及價廉無毒的乙醇、異丙醇為宜。除氨烴基硅烷外，由其它硅烷偶聯劑配制的溶液均需加入醋酸作水解催化劑，并將pH值調至 3.5～5.5。長鏈烷基及苯基硅烷由于穩定性較差，不宜配成水溶液使用。氯硅烷及乙氧基硅烷水解過程中伴隨有嚴重的縮合反應，也不宜配成水溶液或水醇溶液使用，而多配成醇溶液使用。水溶性較差的硅烷偶聯劑，可先加入0.1～0.2%(質量分數)的非離子型表面活性劑，然后再加水加工成水乳液使用。

2、遷移法：將硅烷偶聯劑KH-560直接加入到膠粘劑組分中，一般加入量為基體樹脂量的1～5%。涂膠后依靠分子的擴散作用，偶聯劑分子遷移到粘接界面處產生偶聯作用。對于需要固化的膠粘劑，涂膠后需放置一段時間再進行固化，以使偶聯劑完成遷移過程，方能獲得較好的效果。實際使用時，偶聯劑常常在表面形成一個沉積層，但真正起作用的只是單分子層，因此，偶聯劑用量不必過多。硅烷偶聯劑的使用方法主要有表面預處理法和直接加入法，前者是用稀釋的偶聯劑處理填料表面，后者是在樹脂和填料預混時，加入偶聯劑的原液。硅烷偶聯劑配成溶液，有利于硅烷偶聯劑在材料表面的分散，溶劑是水和醇配制成的溶液，溶液一般為硅烷（20%）、醇（72%）、水（8%），醇一般為乙醇（對乙氧基硅烷）甲醇（對甲氧基硅烷）及異丙醇（對不易溶于乙醇、甲醇的硅烷）因硅烷水解速度與PH值有關，中性最慢，偏酸、偏堿都較快，因此一般需調節溶液的PH值。
  
3、底面法：將5%—20%的硅烷偶聯劑的溶液同上面所述，通過涂、刷、噴，浸漬處理基材表面，取出室溫晾干24小時，最好在120℃下烘烤15分鐘。

4、直接加入法：硅烷亦可直接加入填料/樹脂的混合物中，在樹脂及填料混合時，硅烷可直接噴灑在混料中。偶聯劑的用量一般為填料用量的0.1%—2%，（根據填料直徑尺寸決定）。然后將加過硅烷的樹脂/填料進行模塑（擠出、壓塑、涂覆等）。