硅烷偶联剂的结构和机理

　　偶联剂是一种重要的处理剂，应用领域日益广泛: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两个化学性质不同的基团，——其中一个是亲无机基团，易与无机表面反应;另一种是亲有机基团，它可以与合成树脂或其他聚合物发生化学反应，或生成氢键溶解在其中。因此，偶联剂被称为改善无机和有机物质界面的“分子桥”，从而大大改善复合材料的物理性能、电学性能、热学性能和光学性能等性能。橡胶工业用偶联剂可以提高轮胎、橡胶板、胶管、胶鞋等产品的耐磨性和耐老化性，减少NR的使用，从而降低成本。偶联剂有很多种;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、铬络合物以及高级脂肪酸、醇类、酯类等偶联剂。目前应用最广泛的是硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂。

　　硅烷偶联剂是人们研究和应用最早的偶联剂。由于其独特的性能和新产品的不断问世，其应用领域逐渐扩大，已成为有机硅行业的一个重要分支。它是近年来发展迅速的一种有机硅产品。种类繁多，结构新颖，已知结构的产品有百余种。1945年前后，美国碳素公司(UC)和道康宁公司等开发并发表了一系列具有典型结构的硅烷偶联剂。1955年，美国加州大学首先提出了含氨基的硅烷偶联剂。自1959年以来，一系列改性氨基硅烷偶联剂相继出现:60年代初，含过氧基团的硅烷偶联剂和60年代末出现的含重氮和叠氮结构的硅烷偶联剂，极大地丰富了硅烷偶联剂的品种。近几十年来，随着玻璃钢的发展，促进了各种偶联剂的研究和开发。改性氨基硅烷偶联剂、过氧硅烷偶联剂和叠氮基偶联剂的合成和应用是这一时期的主要成果。中国从60年代中期开始研制硅烷偶联剂。首先是中科院化学所研发了R功能性硅烷偶联剂，南京大学也研发了A功能性硅烷偶联剂。。

　　硅烷偶联剂的通式为RNSIX(4-N)，其中R为有机官能团，可与高聚物结合而不水解。根据聚合物的不同性质，R应与聚合物分子具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、丙烯酰氧基丙基等。x为可水解基团，可被水溶液中的水、空气或吸附在无机表面的水分解，与无机表面具有良好的反应性。典型的X基团包括烷氧基、芳氧基、酰基、氯等。最常用的是甲氧基和乙氧基，在偶联反应中分别产生甲醇和乙醇副产物。由于氯硅烷在偶联反应中会产生腐蚀性副产物氯化氢，因此应酌情使用。

　　硅烷偶联剂分子中有这两种化学基团，所以它不仅能与无机物中的羟基反应，还能与有机物中的长分子链相互作用，起到偶联作用。其作用机制大致分为以下三步:

　　(1)X基团水解成羟基:

　　(2)羟基与无机物表面存在的羟基形成氢键或脱水形成醚键:

　　(3)R基团与有机质结合。