【背景及概述】^[1][2]

偶聯(lián)劑是一種重要的、應(yīng)用領(lǐng)域日漸廣泛的處理劑．其分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是分子中含有化學(xué)性不同的2個基團(tuán)。1個是親無機(jī)物的基團(tuán)，易與無機(jī)物表面起化學(xué)反應(yīng)；另1個是親有機(jī)物的基團(tuán)，能與合成樹脂或其他聚合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或生成氫鍵溶于其中。因此偶聯(lián)劑被稱作分子橋，用以改善無機(jī)物與有機(jī)物之間的界面作用，如物理性能、電性能、熱性能和光性能等。偶聯(lián)劑用于橡膠工業(yè)中，可提高輪胎、膠板、膠管、膠鞋等產(chǎn)品的耐磨性和耐老化性能，并且能減小天然橡膠用量，從而降低成本。偶聯(lián)劑的種類繁多，主要有硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑、雙金屬偶聯(lián)劑、磷酸酯偶聯(lián)劑、硼酸酯偶聯(lián)劑、鉻絡(luò)合物及其他高級脂肪酸、醇、酯的偶聯(lián)劑等，目前應(yīng)用范圍最廣的是硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸酯偶聯(lián)劑。

硅烷偶聯(lián)劑最早是由美國聯(lián)合碳化合物公司(UCC)為發(fā)展玻璃纖維增強(qiáng)塑料中而開發(fā)的，自20世紀(jì)中期開發(fā)至今，品種相當(dāng)繁多，僅已知結(jié)構(gòu)的硅烷偶聯(lián)劑就有百余種之多，成為近年來發(fā)展較快的一類有機(jī)硅產(chǎn)品。其應(yīng)用領(lǐng)域主要是用于改善兩種性質(zhì)不同的材料之間的粘接性。使之在兩界面之間形成硅烷彈性撟，從而提高制品的機(jī)械、電絕緣及抗老化等綜合性能。隨著高性能和高功能化復(fù)合材料的迅速發(fā)展，對硅烷偶聯(lián)劑的性能及其使用技術(shù)也提出了新的更 高的要求。比如為使一種偶聯(lián)劑能適應(yīng)多種樹脂，需要多功能硅烷；為排除填料本身性質(zhì) (酸性、堿性等) 對復(fù)合材料的影響，需要能夠使填料表面鈍化的硅烷等等。從而促使研究工作者不斷開發(fā)多功能新 型硅烷偶聯(lián)劑，并使從單一使用硅烷偶聯(lián)劑向同時多種復(fù)合使用的方向發(fā)展。

硅烷偶聯(lián)劑KH560，化學(xué)名為 γ-(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，無色透明液體, 是一種典型的硅烷偶聯(lián)劑。硅烷偶聯(lián)劑KH560分子中含有一個環(huán)氧基使其表現(xiàn)出優(yōu)異的理化性能，具有廣泛的應(yīng)用。

【結(jié)構(gòu)】^[3]

硅烷偶聯(lián)劑的分子式一般可用RnSiX ，n<4自然數(shù)，通式來表示。其特點(diǎn)是分子中具有兩種以上不同的反應(yīng)基團(tuán)，其中R基團(tuán)是非水解的可與有機(jī)物反應(yīng)的基團(tuán)，如乙烯基、烯丙基、氫基、環(huán)氧基、琉基、丙烯酰氧丙基等。X 基團(tuán)是可水解的基團(tuán)，它是與無機(jī)材料反應(yīng)不可缺少的基團(tuán)，如甲氧基、乙氧基、酰氧基、芳氧基、叔丁過氧基、氯等，它們水解以后生成Si-OH基，而與無機(jī)材料如玻璃、白炭黑、金屬等縮合。硅烷偶聯(lián)劑KH560結(jié)構(gòu)如下：

【偶聯(lián)機(jī)理】^[2]

硅烷偶聯(lián)劑包括硅烷偶聯(lián)劑KH560在提高復(fù)合材料性能方面具有顯著的效果。但迄今為止，還沒有一種理論能解釋所有的事實。常用的理論有化學(xué)鍵理論、表面浸潤理論、變形層理論、拘束層理論等。其中前兩種理論較為普遍。

1.  化學(xué)鍵理論

在硅烷偶聯(lián)劑的偶聯(lián)機(jī)理中，化學(xué)鍵理論是最主要的理論。該理論認(rèn)為，硅烷偶聯(lián)劑含有反應(yīng)性基團(tuán)，它的一端能與無機(jī)材料表面的羥基或金屬表面的氧化物生成共價鍵或形成氫鍵，另一端與有機(jī)材料形成氫鍵或生成共價鍵；從而將無機(jī)材料和有機(jī)材料的界面有機(jī)地連接起來，提高復(fù)合材料的各項性能。此外有研究認(rèn)為硅烷偶聯(lián)劑在有機(jī)材料和無機(jī)材料之間的作用，除了化學(xué)鍵和氫鍵之外，還存在色散力。

2. 表面浸潤理論

硅烷偶聯(lián)劑的表面能較低，潤濕能力較高，能均勻地分布在被處理表面，從而提高異種材料間的相容性和分散性。硅烷偶聯(lián)劑的作用在于改善了有機(jī)材料對增強(qiáng)材料的潤濕能力。實際上，硅烷偶聯(lián)劑在不同材料界面的偶聯(lián)過程是一個復(fù)雜的液固表面物理化學(xué)過程。首先，硅烷偶聯(lián)劑的粘度及表面張力低、潤濕能力較高，對玻璃、陶瓷及金屬表面的接觸角很小，可在其表面迅速鋪展開，使無機(jī)材料表面被硅烷偶聯(lián)劑濕潤；其次，一旦硅烷偶聯(lián)劑在其表面鋪展開，材料表面被浸潤，硅烷偶聯(lián)劑分子上的兩種基團(tuán)便分別向極性相近的表面擴(kuò)散，由于大氣中的材料表面總吸附著薄薄的水層，一端的烷氧基便水解生成硅羥基，取向于無機(jī)材料表面，同時與材料表面的羥基發(fā)生水解縮聚反應(yīng)；有機(jī)基團(tuán)則取向于有機(jī)材料表面，在交聯(lián)固化中，二者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而完成了異種材料間的偶聯(lián)過程。

【選用原則】^[2]

在硅烷偶聯(lián)劑分子中，既有親有機(jī)材料的有機(jī)基團(tuán)，又有親無機(jī)材料的可水解基團(tuán)。其中有機(jī)基團(tuán)對制品的性能影響很大。只有當(dāng)有機(jī)基團(tuán)能與相應(yīng)的有機(jī)材料反應(yīng)時，才能提高復(fù)合材料的性能。當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑中的有機(jī)基團(tuán)為非反應(yīng)性的烷基或芳基時，對極性有機(jī)材料不起作用；但可用于非極性材料中。在選擇硅烷偶聯(lián)劑作復(fù)合材料的助劑時。除需考慮硅烷偶聯(lián)劑有機(jī)基團(tuán)的反應(yīng)性之外。還應(yīng)考慮硅烷偶聯(lián)劑與有機(jī)材料的相容性以及對膠料貯存穩(wěn)定性的影響。有時，采用復(fù)合硅烷偶聯(lián)劑或硅烷偶聯(lián)劑與多種化合物的反應(yīng)產(chǎn)物效果會更好。

【應(yīng)用】^[2][4][5]

硅烷偶聯(lián)劑KH560分子中含有一個環(huán)氧基使其表現(xiàn)出優(yōu)異的理化性能，具有廣泛的應(yīng)用 。

①硅烷偶聯(lián)劑KH560主要用來改善有機(jī)材料和無機(jī)材料表面的粘接性能，如玻璃鋼中的玻璃纖維和塑料、橡膠、油漆、涂料中的硅質(zhì)填料等材料的處理。還用于粘接劑中以增加粘接性能，它所適應(yīng)的樹脂包括環(huán)氧、酚醛、三聚氰胺、聚硫化物聚氨酯、聚苯烯等：

②硅烷偶聯(lián)劑KH560可提高無機(jī)填料、底材和樹脂的粘合力，從而提高復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度、電氣性能。并且在濕態(tài)下有較高的保持率；

③硅烷偶聯(lián)劑KH560作為無機(jī)填料表面處理劑，廣泛應(yīng)用于陶土、玻璃微珠、滑石粉、硅灰石、白炭黑、石英、鋁粉、鐵粉：

④硅烷偶聯(lián)劑KH560適用于填充石英的環(huán)氧密封劑，填充砂粒的環(huán)氧混凝土修補(bǔ)材料或涂料以及填充金屬的環(huán)氧模具材料；

⑤硅烷偶聯(lián)劑KH560還可改善雙組分環(huán)氧密封劑的粘合力。改善丙烯酸膠乳、密封劑、聚氨酯、環(huán)氧涂料的粘合力。

【合成】^[5]

硅烷偶聯(lián)劑KH560的合成：在裝有球形冷凝管、干燥管、溫度計、恒壓滴液漏斗的四口圓底燒瓶中．加入烯丙基縮水甘油醚和催化劑，用集熱式恒溫加熱磁力攪拌器加熱至反應(yīng)溫度，以一定流速滴加三甲氧基氫硅，滴加完畢后保溫反應(yīng)一段時間、降溫、精餾后得產(chǎn)品γ-(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷（硅烷偶聯(lián)劑KH560）。

該硅氫加成為配位加成，其反應(yīng)機(jī)理為Chalk-Harrod機(jī)理，該反應(yīng)機(jī)理采用了傳統(tǒng)的氧化加成和還原消去步驟來解釋硅氫加成如何進(jìn)行，反應(yīng)過程分三步，可用反應(yīng)式示意如下：

【主要參考資料】

[1] 鄔繼榮; 陳利民; 許文東. 新型硅烷偶聯(lián)劑研究進(jìn)展. 化工生產(chǎn)與技術(shù), 2009, 16.4: 48-50.

[2] 陳世容; 瞿晚星; 徐卡秋. 硅烷偶聯(lián)劑的應(yīng)用進(jìn)展. 有機(jī)硅材料, 2003, 17.5: 28-31.

[3] 楊育珍； 何勝剛. 有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑及其應(yīng)用. 化學(xué)工程師， 1994， 5： 40-42.

[4] 王凡非, 馮啟明, 王維清, & 黃陽. (2014). 硅烷偶聯(lián)劑 KH550 對超細(xì)石英粉的改性. 材料導(dǎo)報, 28(18), 70-73.

[5] 蔣志秋, 朱曉英, 王瑜剛, 尤小姿, & 彭華龍. (2011). γ-(2, 3-環(huán)氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷的合成研究. 浙江化工, 42(8), 10-14.