华东理工大学精品课程课件高分子材料助剂偶联剂讲解.ppt

第十三章 偶联剂 偶联剂的定义和分类 偶联剂 能改善填料与高分子材料之间界面特性的一类物质。 结构特点 一种官能团可与高分子基体发生化学反应或至少有好的相容性；另一种官能团可与无机填料形成化学键。 作用 偶联剂可以改善高分子材料与填料之间的界面性能，提高界面的粘合性，改善填充和增强后的高分子材料的性能。 偶联剂的作用机理 化学键合理论：该理论认为偶联剂含有一种化学官能团，能与玻璃纤维表面的硅醇基团或其他无机填料表面的分子作用形成共价键；此外，偶联剂还含有至少一种别的不同的官能团与聚合分子聚合，以获得良好的界面结合，偶联剂就起着在无机相与有机相之间相互连接的桥梁似的作用。 例子：氨丙基三乙氧基硅烷NH2CH2CH2Si(OC2H5)3的偶联过程。 （1）硅烷首先水解变成硅醇，硅烷中基团的水解 （2）接着硅醇基与无机填料表面发生脱水反应，进行化学键连接 （3）经过该性的无机填料添加到聚合物体系当中去 硅烷偶联剂品种很多，根据所连接的不同的有机基团，偶联剂所适合的聚合物种类也不同，这是因为这些基团对聚合物的反应有选择性。例如含有乙烯基（CH2＝CH－）和甲基丙烯酰基的硅烷偶联剂，对不饱和聚酯树脂及丙烯酸树脂特别有效。其原因是偶联剂中的不饱和双键和树脂中的不饱和双键在引发剂和促进剂的作用下发生了化学反应。但是含有这两种基团的偶联剂用于环氧树脂和酚醛树脂时，效果不明显，因为偶联剂中的双键不参与环氧树脂和酚醛树脂的固化反应；但环氧基团的硅烷偶联剂则对环氧树脂特别有效，又因环氧基可与不饱和聚酯中的羟基反应，所以含环氧基硅烷对不饱和聚酯也适用；而含胺基的硅烷偶联剂则对环氧、酚醛、三聚氰胺、聚氨酯等树脂有效；含－SH的硅烷偶联剂则是橡胶工业应用广泛的品种。 偶联性能验证： （1）胶粘剂与被粘物之间单位面积的次价键粘接力： 式中， 、 ——分别是被粘物和胶粘剂的表示张力； 、 ——分别是被粘物和胶粘剂的分子半径； ——为不平衡因子。 （2）当胶粘剂与被粘物之间通过偶联剂形成化学键后，则就按其键结合力来计算粘接力。 ——键的自然振动数； ——被粘物表面上粘符键的数目； ——原子之间平衡距离最低势能位的键能。 用硅烷偶联剂处理形成其价键的粘接力比由次价键而引起的粘接力大一个数量级。 浸润效应和表面能理论：在复合材料的制造中，液态树脂对被粘物的良好浸润是头等重要的，如果能获得完全浸润，那么树脂对高能表面的物理吸附将提供高于树脂的内聚强度的粘接强度。 可变形层理论：为了缓和复合材料冷却时由于树脂和填料之间热收缩率的不同而产生的界面应力，就希望与处理过的无机物邻接的树脂界面是一个揉曲性的可变形相，这样复合材料的韧性最大。偶联剂处理过的无机物表面可能会择优吸收树脂中的某一配合剂，相间区域的不均衡固化，可能导致一个比偶联剂在聚合物与填料之间的多分子层厚得多的挠性树脂层，这一层就被称之为可变形层。该层能松弛界面应力，阻止界面裂缝的扩展，因而改善了界面的结合强度，提高了复合材料的机械性能。 约束层理论 与可变形层理论相对，约束层理论认为在无机填料区域内的树脂应具有某种介于无机填料和基质树脂之间的模量，联剂的功能就在于将聚合物结构“紧束”在相间区域内。从增强后的复合材料的性能来看，要获得最大的粘接力和耐水解性能，需要在界面处有一约束层。 钛酸酯偶联剂和硅烷偶联剂的比较 ? 钛酸酯 硅烷 对树脂的实用性 热固性和热塑性树脂 只适用于热固性树脂 对无机填料的适用性 适用范围广 适用范围有限 性能上的主要特性 不增加强度 赋予挠曲性 增加强度 赋予刚性 其它 主要在加工工艺性能方面发挥作用 优、缺点很明显 硅烷系偶联剂的应用 硅烷偶联剂的使用方法 预处理法：先用硅烷偶联剂对无机填料进行表面处理，然后再加入到聚合物中。 （1）干式处理：是在高速搅拌机中，首先加入无机填料，在搅拌的同时将预先配制的硅烷偶联剂慢慢加入，并均匀分散在填料表面进行处理。 （2）湿式处理：则是在填料的制作过程中，用硅烷偶联剂处理液进行浸渍或将硅烷偶联剂添加到填料的浆液中，然后再进行干燥。 整体掺合法：即将硅烷偶联剂掺入无机填料和聚合物中，并且一步完成配料。 硅烷偶联剂的用量 由于实际使用中真正起到偶联作用的是很少的偶联剂所形