应用领域

填料、颜料和纤维

一、偶联剂在填料、颜料和纤维上的应用概况

偶联剂最主要的作用就是通过 “分子桥”作用,使无机材料表面具有有机反应活性,使无机材料表面有机功能化,从而将高分子聚合物(树脂、橡胶、塑料)与无机材料(填料、纤维)偶联、联接起来,进而提高树脂基复合材料的力学性能和电气性能,或提高树脂涂层对无机底材、极性有机底材的附着力。

随着顾客对产品性能的要求越来越高,无机矿物粉体、颜料和纤维的表面改性已经越来越普遍,产品加工越来越精细化和差异化,用硅烷偶联剂和钛(铝)酸酯偶联剂进行表面改性的无机矿物粉体、无机矿物纤维和颜料也越来越多。玻璃纤维、玄武岩纤维、玻璃微珠、玻璃磷片、玻璃粉、二氧化硅、硅微粉、硅灰石、石英、云母、硅藻土、高岭土、滑石粉、氢氧化铝、氢氧化镁、氧化铝、石棉、硅酸铝、铝银粉、碳酸钙、硫酸钡、各种金属粉末、各种金属氧化物、群青、钛白粉、氧化铁、锌钡白、氧化锌、炭黑、铅铬黄、镉黄、氧化铬绿、铅铬绿、铁蓝、钴蓝、金刚石、刚玉、碳化硅等各种无机矿物粉体、颜料和纤维及磨料都适用用偶联剂进行表面改性。

二、偶联剂对不同填料、颜料的适用性

硅烷偶联剂主要是通过水解后形成的硅羟基与材料表面的活性基团(主要是羟基)进行化学键合及物理吸附而起作用的,因此有机功能硅烷对于材料表面有硅羟基或高表面能的材料具有良好的结合力,而对于表面没有羟基、非极性、低表面能的材料则基本没有改性效果。低表面能材料可以通过电晕、火焰、喷砂、酸碱洗、底涂等方式进行表面处理,从而提高表面能。

硅烷偶联剂与无机颜填料或基材的匹配

2 

而钛(铝)酸酯偶联剂是通过所谓的“质子化反应”与填料或底材表面进行反应,它不需要填料表面一定要有羟基(硅烷偶联剂有此限制),也不需要预水解或填料表面需残留水份(硅烷偶联剂有此要求)。钛(铝)酸酯偶联剂基本适用于所有类型的填料和颜料,无论它们表面是否含有羟基,对炭黑、石墨、碳酸钙、硫酸钡等硅烷偶联剂无法改性的填料也有不错的效果。

三、偶联剂改性无机粉体、纤维的方法

1、干法改性

   干法改性是利用高速搅拌设备用适量的硅烷偶联剂或钛(铝)酸酯偶联剂对其粉体进行表面的包膜处理。偶联剂可直接加入,也可以用溶剂(如醇)稀释后再加入,加入方式以喷洒为宜。一般搅拌3~15分钟,根据设备条件和搅拌速度而调整。为了使反应完全,建议在104~121℃下进行烘干。

2、湿法改性

对于一些沉淀法生产的填料,如沉淀法二氧化硅、氢氧化铝、各种晶须。硅烷或水溶性钛酸酯偶联剂可以配制成水溶液,加入到粉体的料浆中,硅烷吸附在粉体的表面,化学键合通常在随后的脱水、干燥的过程中完成。对于玻璃纤维、玄武岩纤维,硅烷偶联剂通常是加入到浸润剂中,纤维在浸润剂润湿后进行烘干。

四、偶联剂的添加量

理论上硅烷的用量计算公式如下:

 1

其中一些常见的填料大致的比表面积参见下表,具体到某种填料的比表面积可查询该填料的产品说明书:

填料或纤维

比表面积(m2/克)

电子级玻璃纤维

0.1~0.12

石英砂

1~2

高岭土

7

粘土

7

滑石粉

7

碳酸钙

5

硅酸钙

2.6

常用硅烷的最小润湿面积如下表所示:

硅烷型号

最小可润湿面积  (m2/克)

SCA-V71M

515

SCA-V71E

410

SCA-K03M

315

SCA-A10E

353

SCA-A20T

380

SCA-A20M

351

SCA-E87M

330

SCA-E87F

356

SCA-E86M

317

SCA-R74M

314

SCA-S89M

398

SCA-C76M

393

SCA-P61M

321

SCA-P62M

355

需要说明的是:上述硅烷的理论用量的计算结果往往与实际使用的用量相差较大,仅作一个参考值。用户需要根据设备条件、成本约束和性能要求等条件进行最优设计,通过多次试验确定最符合需求和最佳性价比的改性条件、工艺参数和硅烷添加量。一般而言,粉体量的0.5%~ 1.5%是一个比较常用的添加量范围,而1%的添加量对于绝大多数的应用都是比较适用的。

对于没有内部孔隙、没有很强吸附性的粉体材料可以采用下表10中的经验数据:

粉体的粒径

硅烷用量

≤ 1微米

1.5%

1至10微米

1.0%

10到20微米

0.75%

粒径和海砂类似或更粗

≤ 0.1%

 

 

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