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)的最大特點(diǎn)是分子中含有化學(xué)性不同的2個(gè)基團(tuán)。1個(gè)是親無(wú)機(jī)物的基團(tuán)，易與無(wú)機(jī)物表面起化學(xué)反應(yīng)；另1個(gè)是親有機(jī)物的基團(tuán)，能與合成樹(shù)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(wú)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(jí)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(guó)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(kāi)發(fā)的，自20世紀(jì)中期開(kāi)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(lái)發(fā)展較快的一類有機(jī)硅產(chǎn)品。其最大應(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(duì)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(shù)脂，需要多功能硅烷；為排除填料本身性質(zhì) (酸性、堿性等) 對(duì)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(kāi)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(shí)多種復(fù)合使用的方向發(fā)展。

硅烷偶聯(lián)劑KH550（APTES），化學(xué)名為γ-氨丙基三乙氧基硅烷，是硅烷化過(guò)程經(jīng)常使用的一種氨基硅烷，以烷氧基硅烷分子將表面官能化。在國(guó)內(nèi)有機(jī)硅產(chǎn)品中，硅烷偶聯(lián)劑KH550是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化較早的一個(gè)品種，然而由于現(xiàn)行工業(yè)產(chǎn)品收率不高。反應(yīng)期間生成的副產(chǎn)物對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，對(duì)環(huán)境造成了污染，因而近些年人們一直在尋求一條更為合理、有效的生產(chǎn)路線。

【結(jié)構(gòu)】

硅烷偶聯(lián)劑的分子式一般可用RnSiX ，n<4自然數(shù)，通式來(lái)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(wú)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(guò)氧基、氯等，它們水解以后生成Si-OH基，而與無(wú)機(jī)材料如玻璃、白炭黑、金屬等縮合。硅烷偶聯(lián)劑KH550結(jié)構(gòu)如下：

【偶聯(lián)機(jī)理】

硅烷偶聯(lián)劑包括硅烷偶聯(lián)劑KH550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(méi)有一種理論能解釋所有的事實(shí)。常用的理論有化學(xué)鍵理論、表面浸潤(rùn)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(wú)機(jī)材料表面的羥基或金屬表面的氧化物生成共價(jià)鍵或形成氫鍵，另一端與有機(jī)材料形成氫鍵或生成共價(jià)鍵；從而將無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料的界面有機(jī)地連接起來(lái)，提高復(fù)合材料的各項(xiàng)性能。此外有研究認(rèn)為硅烷偶聯(lián)劑在有機(jī)材料和無(wú)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(rùn)理論

硅烷偶聯(lián)劑的表面能較低，潤(rùn)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(duì)增強(qiáng)材料的潤(rùn)濕能力。實(shí)際上，硅烷偶聯(lián)劑在不同材料界面的偶聯(lián)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的液固表面物理化學(xué)過(guò)程。首先，硅烷偶聯(lián)劑的粘度及表面張力低、潤(rùn)濕能力較高，對(duì)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(kāi)，使無(wú)機(jī)材料表面被硅烷偶聯(lián)劑濕潤(rùn)；其次，一旦硅烷偶聯(lián)劑在其表面鋪展開(kāi)，材料表面被浸潤(rùn)，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(wú)機(jī)材料表面，同時(shí)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(guò)程。

【選用原則】

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(wú)機(jī)材料的可水解基團(tuán)。其中有機(jī)基團(tuán)對(duì)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(shí)，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(shí)，對(duì)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(shí)。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(duì)膠料貯存穩(wěn)定性的影響。有時(shí)，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(huì)更好。

【應(yīng)用】

硅烷偶聯(lián)劑KH550可用作玻璃纖維處理劑及牙科粘結(jié)劑，硅烷偶聯(lián)劑，應(yīng)用于礦物填充的酚醛、聚酯、環(huán)氧、PBT、聚酰胺、碳酸酯等熱塑性和熱固性樹(shù)脂，能大幅度提高、增強(qiáng)塑料的干濕態(tài)抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等物理力學(xué)性能和濕態(tài)電氣性能，并改善填料在聚合物中的潤(rùn)濕性和分散性。是優(yōu)異的粘結(jié)促進(jìn)劑，可用于聚氨酯、環(huán)氧、腈類、酚醛膠粘劑和密封材料，可改善顏料的分散性并提高對(duì)玻璃、鋁、鐵金屬的粘合性，也適用于聚氨酯、環(huán)氧和丙烯酸乳膠涂料.在樹(shù)脂砂鑄造中，能增強(qiáng)樹(shù)脂硅砂的粘合性，提高型砂強(qiáng)度及抗?jié)裥?。在玻纖棉和礦物棉生產(chǎn)中，將其加入到酚醛樹(shù)脂粘結(jié)劑中，可提高防潮性及增加壓縮回彈性。在砂輪制造中，有助于改進(jìn)耐磨自硬砂的酚醛樹(shù)脂粘合劑的粘結(jié)性及耐水性

1.硅烷偶聯(lián)劑用作玻璃纖維的處理劑

硅烷偶聯(lián)劑早期是作為玻璃纖維的處理劑而開(kāi)發(fā)的，在玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的應(yīng)用已非常成熟。由于硅烷偶聯(lián)劑的可水解基團(tuán)水解后能與玻璃纖維表面的羥基進(jìn)行脫水縮合反應(yīng)，生成穩(wěn)定的硅氧鍵；而其有機(jī)基團(tuán)能與樹(shù)脂形成氫鍵或化學(xué)鍵。因此，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理過(guò)的玻璃纖維可用作大多數(shù)熱固性樹(shù)脂及熱塑性樹(shù)脂的增強(qiáng)材料。通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑可使性能差異很大的樹(shù)脂和玻璃纖維實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍵合，將樹(shù)脂受到的應(yīng)力有效地傳遞給高強(qiáng)度的玻璃纖維，從而提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。

2.硅烷偶聯(lián)劑用作無(wú)機(jī)粉末填料的表面處理劑

隨著硅烷偶聯(lián)劑新品種的開(kāi)發(fā)與工藝的改進(jìn)，硅烷偶聯(lián)劑能夠進(jìn)入更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。用于復(fù)合材料的填料，除纖維狀填料外。還有球形和無(wú)定形無(wú)機(jī)粉末填料。無(wú)機(jī)粉末填料具有價(jià)廉易得、粒徑均勻等特點(diǎn)；但未經(jīng)處理的無(wú)機(jī)粉末填料與樹(shù)脂的相容性和分散性較差。經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理后，無(wú)機(jī)粉末填料與樹(shù)脂的相容性和分散性大大改善，添加的比例也提高；從而提高了復(fù)合材料的性能，降低了成本。例如：聚酰胺樹(shù)脂中添加氧化鎂后，其導(dǎo)熱系數(shù)為1.16 w/(m·K)；如果用硅烷偶聯(lián)劑KH550對(duì)氧化鎂進(jìn)行表面處理。則材料的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)提高到2.1 W/(m·K)t 。采用整體摻混法直接將硅烷偶聯(lián)劑加入聚合物中，導(dǎo)熱灌封料的導(dǎo)熱系數(shù)可由0.6 W/ (m·K)提高到1.0 w/(m·K)t。前者是由于硅烷偶聯(lián)劑的可水解基團(tuán)與氧化鎂表面的羥基發(fā)生縮合反應(yīng)，使氧化鎂的表面由親水性變?yōu)樵魉?，從而改善了氧化鎂與聚酰胺樹(shù)脂之間的相容性與分散性，使氧化鎂的添加量增大，因而復(fù)合材料的導(dǎo)熱性有了突破性的提高；后者是由于硅烷偶聯(lián)劑的可水解基團(tuán)與無(wú)機(jī)填料表面的羥基發(fā)生縮合反應(yīng)。它的有機(jī)基團(tuán)又與聚合物形成化學(xué)鍵合，在無(wú)機(jī)填料與聚合物之間起到了架橋作用，從而提高了灌封料的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。還有人用硅烷偶聯(lián)劑a172或乙烯基三乙氧基硅烷（硅烷偶聯(lián)劑a151）處理阻燃填料后，使復(fù)合材料的氧指數(shù)高達(dá)43％L。這是由于硅烷偶聯(lián)劑改善了 其在基礎(chǔ)聚合物中的相容性和分散性，提高了添加量，從而提高了復(fù)合材料的阻燃性。

3. 硅烷偶聯(lián)劑用作膠粘劑、密封劑的增粘劑

硅烷偶聯(lián)劑廣泛用作膠粘劑、密封劑等的增粘劑。它既可用作基材的底涂，又可采用摻混法直接加到橡膠或樹(shù)脂中。將適量的硅烷偶聯(lián)劑KH570加入膠粘劑中（特別是丙烯酸酯類膠粘劑），可提高膠粘劑對(duì)鋼材的粘接效果。這是因?yàn)楣柰榕悸?lián)劑KH570分子中的可水解基團(tuán)水解后，部分羥基可與吸附在鋼材表面的羥基或氫氧化物反應(yīng)，脫去一分子水，形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，余下的羥基可進(jìn)行分子間的脫水反應(yīng)，在鋼材表面形成聚硅氧烷膜；其不飽和基團(tuán)可參與有機(jī)聚合物的反應(yīng)，形成互穿網(wǎng)絡(luò)，從而提高了膠粘劑與鋼材的粘接強(qiáng)度 。

4.硅烷偶聯(lián)劑對(duì)橡膠性能的影響

硅烷偶聯(lián)劑可提高填充橡膠的各項(xiàng)性能。研究硅烷偶聯(lián)劑用量對(duì)硅橡膠硫化特性的影響。發(fā)現(xiàn)加入硅烷偶聯(lián)劑的硅橡膠，其硫化動(dòng)力曲線的轉(zhuǎn)矩值，比未加硅烷偶聯(lián)劑的空白膠料的轉(zhuǎn)矩值明顯降低；隨著硅烷偶聯(lián)劑用量的增加，硫化速度越來(lái)越慢，硫化時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，最大轉(zhuǎn)矩值隨之下降。

【合成】

硅烷偶聯(lián)劑KH550的合成需從基礎(chǔ)原料出發(fā)．主要有以下三步反應(yīng)：

第一步：三乙氧基氫硅的制備

第二步：丙烯胺的制備

第三步：硅烷偶聯(lián)劑KH550的制備