Gelest為膠粘劑和密封劑應(yīng)用提供各種功能的產(chǎn)品。

硅烷可用于金屬底漆、結(jié)合生物材料、固定催化劑、提供交聯(lián)以及改善聚合物和顆粒分散性。它們還可以增強(qiáng)粘合劑的粘合力，增加電氣性能，最大限度地提高復(fù)合材料強(qiáng)度，并提高機(jī)械性能。

一、什么是硅烷偶聯(lián)劑？

硅烷偶聯(lián)劑可以在有機(jī)和無(wú)機(jī)材料之間形成持久的粘接。硅烷偶聯(lián)劑的一般式通常顯示兩類官能團(tuán)：可水解基團(tuán)X和有機(jī)官能團(tuán)R。

X是可水解基團(tuán)，通常是烷氧基、酰氧基、鹵素或胺。水解后，形成反應(yīng)性硅醇基團(tuán)，該基團(tuán)可以與其他硅醇基團(tuán)（例如硅質(zhì)填料表面的硅醇基團(tuán)）縮合，形成硅氧烷鍵。鋁、鋯、錫、鈦、鎳等其他氧化物也形成穩(wěn)定的縮合產(chǎn)物。與硼、鐵和碳的氧化物形成不太穩(wěn)定的鍵。堿金屬氧化物和碳酸鹽不能與Si-O-形成穩(wěn)定的鍵。R基團(tuán)是一種不可水解的有機(jī)自由基，可能具有賦予所需特性的功能。

有機(jī)硅烷與基材反應(yīng)的最終結(jié)果包括改變基材的潤(rùn)濕性或粘附特性，利用基材催化非均相界面的化學(xué)轉(zhuǎn)化，對(duì)界面區(qū)域進(jìn)行排序，并改變其分配特性。值得注意的是，它包括影響有機(jī)和無(wú)機(jī)材料之間共價(jià)鍵的能力。

二、硅烷偶聯(lián)劑是如何工作的？

大多數(shù)廣泛使用的有機(jī)硅烷具有一種有機(jī)取代基和三種可水解取代基。在絕大多數(shù)表面處理應(yīng)用中，三烷氧基硅烷的烷氧基被水解形成含硅醇的物質(zhì)。這些硅烷的反應(yīng)包括四個(gè)步驟。

雖然是按順序描述的，但這些反應(yīng)可以在初始水解步驟后同時(shí)發(fā)生。在界面處，有機(jī)硅烷的每個(gè)硅到襯底表面通常只有一個(gè)鍵。剩下的兩個(gè)硅醇基團(tuán)以縮合或游離形式存在。R基團(tuán)仍可用于共價(jià)反應(yīng)或與其他相的物理相互作用。硅烷可以在無(wú)水條件下改性表面，符合單層和氣相沉積要求。在高溫（50°C-120°C）下，典型的反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)（4-12小時(shí)）。在烷氧基硅烷中，只有甲氧基硅烷在沒(méi)有催化作用的情況下對(duì)氣相沉積有效。氣相沉積有效的硅烷是環(huán)氮雜硅烷。

水解注意事項(xiàng)

水解用水可能來(lái)自多種來(lái)源。它可以被添加，它可能存在于基材表面，或者它可能來(lái)自大氣。硅烷的聚合度由可用水的量和有機(jī)取代基決定。如果將硅烷添加到水中且溶解度低，則有利于高度聚合。多重有機(jī)取代，特別是當(dāng)涉及苯基或叔丁基時(shí)，有利于形成穩(wěn)定的單體硅醇。

聚硅氧烷層的厚度也由硅氧烷溶液的濃度決定。雖然通常需要單層吸附，但多層吸附是由通常使用的溶液產(chǎn)生的。據(jù)計(jì)算，從0.25%的硅烷溶液沉積到玻璃上可以產(chǎn)生三到八個(gè)分子層。這些多層層可以通過(guò)松散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相互連接，也可以混合在一起，或者兩者兼而有之，事實(shí)上，它們是由大多數(shù)沉積技術(shù)形成的。官能團(tuán)在基材表面的取向通常是水平的，但不一定是平面的。

與表面形成共價(jià)鍵具有一定的可逆性。當(dāng)水被去除時(shí)，通常通過(guò)加熱到120°C30-90分鐘或排空2-6小時(shí)，鍵可能會(huì)形成，斷裂和重組以緩解內(nèi)應(yīng)力。相同的機(jī)制可以允許接口組件的位置位移。

三、如何使用硅烷偶聯(lián)劑？

1.水性酒精沉淀

從酒精水溶液中沉積是制備硅烷化表面的方法之一。用乙酸將95%乙醇-5%水溶液調(diào)節(jié)至pH 4.5-5.5。在攪拌下加入硅烷，產(chǎn)生2%的最終濃度。應(yīng)留出五分鐘進(jìn)行水解和硅醇形成。將大物體（例如玻璃板）浸入溶液中，輕輕攪拌，并在 1-2 分鐘后取出。通過(guò)短暫浸入乙醇中來(lái)沖洗掉多余的材料。顆粒（例如填充物和載體）通過(guò)在溶液中攪拌 2-3 分鐘然后傾析溶液來(lái)硅烷化。通常用乙醇短暫沖洗顆粒兩次。硅烷層在110°C下固化5-10分鐘，或在室溫（<60%相對(duì)濕度）下固化24小時(shí)。

2.從水溶液中沉淀

大多數(shù)商業(yè)玻璃纖維系統(tǒng)都采用水溶液沉積。烷氧基硅烷以0.5-2.0%的濃度溶于水。對(duì)于溶解度較低的硅烷，在硅烷之前加入0.1%的非離子表面活性劑，并制備乳液。用乙酸將溶液調(diào)節(jié)至pH 5.5。將溶液噴灑到基材上或用作浸漬浴。在110-120°C下固化20-30分鐘。對(duì)于簡(jiǎn)單的烷基硅烷，硅烷水溶液的穩(wěn)定性在2-12小時(shí)之間變化。溶解度參數(shù)差限制了該方法對(duì)長(zhǎng)鏈烷基和芳香族硅烷的使用。蒸餾水不是必需的，但必須避免使用含有氟離子的水。

3.散裝沉淀到粉末上

在粉末上的大量沉積，例如填料處理，通常通過(guò)噴涂方法完成。它假設(shè)所需的硅烷總量是已知的，并且填料上存在足夠的吸附水分以引起硅烷的水解。硅烷被制備為25%的酒精溶液。粉末被放置在高強(qiáng)度固體混合器中，例如帶增壓器的雙錐混合器。如果填料在托盤中干燥，則必須注意通過(guò)調(diào)節(jié)熱量和氣流來(lái)避免處理材料頂層的芯吸或結(jié)皮。

4.積分混合方法

整體混合方法用于復(fù)合配方。在這種方法中，硅烷用作簡(jiǎn)單的添加劑。復(fù)合材料可以通過(guò)在復(fù)合之前將烷氧基硅烷添加到聚合物和填料的干共混物中來(lái)制備。通常，通過(guò)將醇載體中的硅烷噴灑到預(yù)混料上來(lái)分散0.2-1.0重量百分比的硅烷（總混合物）。在這種技術(shù)中，將硅烷添加到非分散填料中是不可取的，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致團(tuán)聚。將混合物短暫干混，然后熔融復(fù)合。在熔體復(fù)合過(guò)程中，對(duì)硅烷反應(yīng)的副產(chǎn)物進(jìn)行真空去揮發(fā)對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能是必要的。有時(shí)通過(guò)在分散前向硅烷中加入0.5-1.0%的鈦酸四丁酯或芐基二甲胺來(lái)增強(qiáng)性能。

5.無(wú)水液相沉積

氯硅烷、甲氧基硅烷、氨基硅烷和環(huán)氮雜硅烷的無(wú)水液相沉積是小顆粒和納米特征基板的一個(gè)選擇。制備含有5%硅烷的甲苯、四氫呋喃或烴類溶液。將混合物與待處理的基材一起回流12-24小時(shí)。用溶劑洗滌。然后通過(guò)空氣或防爆烘箱干燥除去溶劑。無(wú)需進(jìn)一步治愈。該反應(yīng)涉及表面硅醇對(duì)硅烷氯的直接親核置換。如果需要單層沉積，則應(yīng)在150°C下預(yù)干燥4小時(shí)。如果基板上存在吸附水，則會(huì)導(dǎo)致大量沉積。這種方法對(duì)于大規(guī)模制備來(lái)說(shuō)很麻煩，必須建立嚴(yán)格的控制以確保結(jié)果的可重復(fù)性。使用一氯硅烷可獲得更可重復(fù)的覆蓋率。

6.氯硅烷

氯硅烷也可以從酒精溶液中沉積。無(wú)水醇，特別是乙醇或異丙醇，是好的選擇。將氯硅烷加入醇中，得到2-5%的溶液。氯硅烷與醇反應(yīng)產(chǎn)生烷氧基硅烷和鹽酸——應(yīng)使用適當(dāng)?shù)耐L(fēng)。通過(guò)停止 HCl 逸出來(lái)觀察反應(yīng)的進(jìn)展。溶液的溫和升溫（30-40°C）促進(jìn)反應(yīng)的完成。部分 HCl 與酒精反應(yīng)生成少量烷基鹵化物和水。水導(dǎo)致烷氧基硅烷形成硅醇。硅醇凝結(jié)在基材上。將處理過(guò)的基材在110°C下固化5-10分鐘或在室溫下靜置24小時(shí)。

7.氣相沉積硅烷

氣相沉積硅烷可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積方法在干燥、非質(zhì)子條件下應(yīng)用于基材。這些方法有利于單層沉積。雖然在適當(dāng)?shù)臈l件下，幾乎所有的硅烷都可以以氣相應(yīng)用于基材，但那些在100°C時(shí)蒸氣壓>5托的硅烷已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最多的商業(yè)應(yīng)用。在密閉腔室設(shè)計(jì)中，基板支撐在硅烷儲(chǔ)罐上方或附近，并將儲(chǔ)罐加熱到足夠的溫度以達(dá)到 5 mm 蒸氣壓?；蛘?，可以施加真空，直到觀察到硅烷蒸發(fā)。在另一種變化中，硅烷可以制備為甲苯溶液并回流，允許足夠的硅烷通過(guò)分壓貢獻(xiàn)進(jìn)入氣相。一般情況下，底物溫度應(yīng)保持在50°C至120°C之間，以促進(jìn)反應(yīng)。環(huán)狀氮雜硅烷沉積速度最快，通常不到 5 分鐘。胺官能團(tuán)硅烷通常在沒(méi)有催化劑的情況下快速沉積（30分鐘內(nèi)）。其他硅烷的反應(yīng)需要延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，通常為4-24小時(shí)?？梢酝ㄟ^(guò)添加催化量的胺來(lái)促進(jìn)反應(yīng)。

8.旋裝

旋裝應(yīng)用是在有利于最大功能化和多層沉積的水解條件下實(shí)現(xiàn)的，或者是在有利于單層沉積的干燥條件下實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于水解沉積，制備2-5%的溶液（參見(jiàn)水性酒精沉積）。旋轉(zhuǎn)速度較低，通常為 500 rpm。旋轉(zhuǎn)沉積后，需要保持 3-15 分鐘，然后再用溶劑沖洗。干法沉積采用溶劑溶液，如甲氧基丙醇或乙二醇單乙酸酯（EGMA）;非質(zhì)子系統(tǒng)使用甲苯或四氫呋喃。硅烷溶液在氮?dú)獯祾呦乱缘退偈┘?。如果?yán)格的單層沉積，則應(yīng)將基板加熱至50°C。 在一些協(xié)議中，通過(guò)在相對(duì)濕度為55%的大氣環(huán)境下旋轉(zhuǎn)來(lái)誘導(dǎo)有限的多層形成。

9.噴涂應(yīng)用

噴霧應(yīng)用配方因最終用途而異。它們涉及建筑和砌體應(yīng)用中使用的酒精溶液和連續(xù)水解的水溶液。通過(guò)文丘里管（吸氣器）將含有酸催化劑（如乙酸）的硅烷混合物送入水流中，會(huì)影響連續(xù)水解。穩(wěn)定的水溶液（參見(jiàn)水性硅烷）、穩(wěn)定性有限的硅烷混合物（4-8 小時(shí)）和乳液用于紡織和玻璃纖維應(yīng)用。與聚醋酸乙烯酯或聚酯的復(fù)雜混合物作為施膠配方進(jìn)入后一種應(yīng)用。