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有机硅偶联剂概述及其作用机理总结

一、偶联剂概述

偶联剂是一种具有特殊结构的有机硅化合物。在它的分子中，同时具有能与无机

材料(如玻璃、水泥、金属等)结合的反应性基团和与有机材料(如合成树脂等)

结合的反应性基团。常用的理论有化学键理论、表面浸润理论、变形层理论、拘

束层理论等。偶联剂作表面改性剂，用于无机填料填充塑料时，可以改善其分散

性和黏合性。

二、偶联剂种类

偶联剂主要有有机铬偶联剂、有机硅偶联剂和钛酸偶联剂。胶黏剂中常选用有机

硅偶联剂，其通式为RSiX3，其中R为有机基团，如-C6H5、-CH=CH2等，能与树

脂结合；X为可以水解的基团，如-OCH3、-OC2H5、-Cl等。

三、偶联剂作用过程

B•Arkles根据偶联剂的偶联过程提出了4步反应模型，即：

①与硅原子相连的SiX基水解，生成SiOH；

②Si-OH之间脱水缩合，生成含Si-OH的低聚硅氧烷；

③低聚硅氧烷中的SiOH与基材表面的OH形成氢键；

④加热固化过程中，伴随脱水反应而与基材形成共价键连接。

一般认为，界面上硅烷偶联剂水解生成的3个硅羟基中只有1个与基材表面键合；

剩下的2个Si-OH，或与其他硅烷中的Si-OH缩合，或呈游离状态。因此，通过

硅烷偶联剂可使2种性能差异很大的材料界面偶联起来，从而提高复合材料的性

能和增加黏结强度，并获得性能优异、可靠的新型复合材料。硅烷偶联剂广泛用

于橡胶、塑料、胶黏剂、密封剂、涂料、玻璃、陶瓷、金属防腐等领域。现在，

硅烷偶联剂已成为材料工业中必不可少的助剂之一。

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硅烷偶联剂的作用和效果以被人们认识和肯定，但界面上极少量的偶联剂为什么

会对复合材料的性能产生如此显著的影响，现在还没有一套完整的偶联机理来解

释。偶联剂在两种不同性质材料之间界面上的作用机理已有不少研究，并提出了

化学键合和物理吸着等解释。其中化学键合理论是最古老却又是迄今为止被认为

是比较成功的一种理论。

四、偶联剂作用理论

1.化学结合理论

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，偶联剂还含有一种别的不同的官能团

与聚合分子键合，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。

下面以硅烷偶联剂为例说明化学键理论。例如氨丙基三乙氧基硅烷，当用它首

先处理无机填料时（如玻璃纤维等），硅烷首先水解变成硅醇，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。具体过程如下：

硅烷中的基团水解--水解后羟基与无机填料反应--经偶联剂处理的无机料

填进行填充制备复合材料时，偶联剂中的R基团将与有机高聚物相互作用，最

终搭起无机填料与有机物之间的桥梁。

硅烷偶联剂的品种很多，通式中R基团的不同，偶联剂所适合的聚合物种类也不

同，这是因为基团R对聚合物的反应有选择性，例如含有乙烯基和甲基丙烯酰氧

基的硅烷偶联剂，对不饱和聚酯树脂和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

应的结果。但含有这两种基团的偶联剂用于环氧树脂和酚醛树脂时则效果不明

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、

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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。

2、浸润效应和表面能理论

1963年，ZISMAN在回顾与粘合有关的表面化学和表面能的已知方面的内容时，

曾得出结论，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，如果能获的完全的浸润，那么树脂对高能表面的物理吸附将提供高于有机

树脂的内聚强度的粘接强度。

3、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柔曲性的可变形相，这样

复合材料的韧性最大。偶联剂处