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硅烷偶联剂的结构和机理

      偶联剂是一-种重要的、应用领域日渐广泛的处理剂:主要用作高分子复合材料的助剂。偶联剂分子结构的最大特点是分子中含有化学性质不同的两个基团,- -个是亲无机物的基团易与无机物表面起化学反应;另一个是亲有机物的基团,能与合成树脂或其它聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中。因此偶联剂被称作“分子桥”用以改善无机物与有机物之间的界面作用,从而大大提高复合材料的性能如物理性能、电性能、热性能、光性能等。偶联剂用于橡胶工业中可提高轮胎、胶板、胶管、胶鞋等产品的耐磨性和耐老化性能并且能减小NR用里从而降低成本。偶联剂的种类繁多;主要有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、双金属偶联剂、磷酸酯偶联剂、硼酸酯偶联剂、铬络合物及其它高级脂肪酸、醇、酯的偶联剂等,目前应用范围最广的是硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂。
       硅烷偶联剂是人们研究最早、应用最早的偶联剂。由于其独特的性能及新产品的不断问世,使其应用领域逐渐扩大,已成为有机硅工业的重要分支。它是近年来发展较快的一类有机硅产品其品种繁多结构新颖,仅已知结构的产品就有百余种。1945年前后由美国联碳(UC)和道康宁(DOWCORNING)等公司开发和公布了一系列具有典型结构的硅烷偶联剂:1955年又由UC公司首次提出了含氨基的硅烷偶联剂;从1959年开始陆续出现了一系列改性氨基硅烷偶联剂:20世纪60年代初期出现的含过氧基硅烷偶联剂和60年代末期出现的具有重氮和叠氮结构的硅烷偶联剂又大大丰富了硅烷偶联剂的品种。近几十年来,随着玻璃纤维增强塑料的发展,促进了各种偶联剂的研究与开发。改性氨基硅烷偶联剂、过氧基硅烷偶联剂和叠氮基硅烷偶联剂的合成与应用就是这一时期的主要成果。我国于20世纪60年代中期开始研制硅烷偶联剂。首先由中国科学院化学研究所开始研制r官能团硅烷偶联剂,南京大学也同时开始研制A官能团硅烷偶联剂。.
       硅烷偶联剂的通式为RNSIX(4-N).式中R为非水解的、可与高分子聚合物结合的有机官能团。根据高分子聚合物的不同性质,R应与聚合物分子有较强的亲和力或反应能力,如甲基、乙烯基、氨基、环氧基、巯基、丙烯酰氧丙基等。X为可水解基团,遇水溶液、空气中的水分或无机物表面吸附的水分均可引起分解与无机物表面有较好的反应性。典型的X基团有烷氧基、芳氧基、酰基、氯基等;最常用的则是甲氧基和乙氧基,它们在偶联反应中分别生成甲醇和乙醇副产物。由于氯硅烷在偶联反应中生成有腐蚀性的副产物氯化氢因此要酌情使用。
      硅烷偶联剂由于在分子中具有这两类化学基团,因此既能与无机物中的羟基反应又能与有机物中的长分子链相互作用起到偶联的功效。其作用机理大致分以下3步:
(1)X基水解为羟基:
(2)羟基与无机物表面存在的羟基生成氢键或脱水成醚键:
(3)R基与有机物相结合。

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