硅烷偶聯劑是一類具有特殊結構的低分子有機硅化合物，通常以Y-R-SiX3表示其結構。其中：Y代表非水解基團，通常是有機官能團，如氨基、巰基、環氧基、乙烯基、氰基及甲基丙烯酰氧基等，這些基團可以與有機聚合物中的長鏈分子發生化學反應。
R表示有機官能基,可與乙烯基、乙氧基、甲基丙烯酸基、氨基、巰基等有機基以及無機材料、各種合成樹脂、橡膠發生偶聯反應。
X代表可水解基團，如鹵素、烷氧基、酰氧基等。這些基團在水的作用下可以水解成硅羥基（Si-OH），進而與無機材料表面的羥基發生縮合反應。
1、硅烷偶聯劑的作用機理
硅烷偶聯劑在兩種不同性質材料之間的界面作用機理已有多種解釋，如化學鍵理論、可逆平衡理論和物理吸附理論等。但是，界面現象非常復雜，單一的理論往往難以充分說明。通常情況下，化學鍵合理論能夠較好地解釋硅烷偶聯劑同無機材料之間的作用。
耦合機構烷氧基與許多無機填料的表面基團反應。它們首先與水反應生成硅烷三醇，并釋放出副產物醇。然后硅烷醇基團與填料表面上的氧化物或羥基縮合。相鄰的硅氧烷鏈可以進一步相互作用，在表面產生聚硅氧烷層。
硅烷需要填料表面上的活性位點（優選羥基）才能發生反應。因此，它們可用于改性所有：硅酸鹽類填料、無機金屬氧化物和氫氧化物。
通常來說具體過程如下：
潤濕：硅烷偶聯劑具有較低的表面張力和較高的潤濕能力，可以迅速在無機材料表面鋪展開。
水解：硅烷偶聯劑上的可水解基團（X）在水的作用下水解成硅羥基（Si-OH）。
縮合：硅羥基與無機材料表面的羥基發生縮合反應，形成化學鍵。
交聯：硅烷偶聯劑上的有機官能團（Y）與有機聚合物中的長鏈分子發生化學反應，形成交聯結構。
2、硅烷偶聯劑的種類
根據有機官能團（Y）的不同，硅烷偶聯劑可以分為多種類型，常見的包括：
氨基硅烷：如 γ-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）
巰基硅烷：如 γ-巰丙基三甲氧基硅烷
環氧基硅烷：如 γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）
乙烯基硅烷：如乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）
氰基硅烷：如 β-(3,4-環氧環己基)乙基三甲氧基硅烷
甲基丙烯酰氧基硅烷：如 γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS）
我國功能性硅烷生產結構
?。?）乙烯基類硅烷偶聯劑
乙烯基類硅烷偶聯劑在處理無機/樹脂基復合材料中的玻璃纖維、粒狀填料時，可以改善兩種性質完全不同的物質的界面性能，大大提高復合材料的強度。此類偶聯劑中的乙烯基或乙烯烴基具有聚合或共聚的反應性，能夠使聚合物易于交聯，從而提高被改性的聚合物力學性能、電性能以及表面性能等，常用于聚乙烯等熱塑性塑料或橡膠的改性。
?。?）氨基類硅烷偶聯劑
氨基硅烷偶聯劑除聚酯樹脂外，幾乎能與所有的樹脂發生反應，屬于通用型偶聯劑。且其具有催化性，能在酚醛、脲醛、三聚氰胺甲醛的聚合中作催化劑，應用十分廣泛。
用于玻璃纖維表面處理，改善玻纖與樹脂粘接性能，提高復合材料機械性能；
用于處理無機填料填充塑料，改善填料在樹脂中的分散性，提高塑料的強度；
用于密封劑、膠粘劑和涂料的增粘劑；
用作紡織助劑，提高織物的柔軟、防皺等特性；
用于生化、環保，作為生物酶載體原料，可提高生物酶的利用率。
?。?）含硫烴基類硅烷偶聯劑
含硫硅烷偶聯劑在橡膠輪胎工業中可作為無機填料的表面改性劑，能夠改善白炭黑、炭黑表面結構，改善其在有機物中的團聚現象,使其很好地分散到橡膠中，提高橡膠的強度和耐磨性。同時含硫硅烷偶聯劑中的硫可與橡膠結合，以使填料和橡膠之間形成牢固的網絡結構，可以作為硫化劑、潤濕劑、補強劑等改善橡膠輪胎的多項物理機械性能：如抗滑性（可節省能耗）、耐磨性、抗撕裂、耐切割等。
?。?）環氧烴基類硅烷偶聯劑
環氧基的硅烷偶聯劑的應用具有廣普性，不僅可以應用于環氧、三聚氰胺、酚醛、交聯聚氨酯等熱固性復合材料中，還可以用于氯化聚醚、聚碳酸酯、聚酯、聚氨酯、尼龍、聚丙烯、聚苯乙烯等熱塑性復合材料。與其它功能性硅烷偶聯劑相比，環氧類硅烷偶聯劑更穩定且不易發黃，能夠在有機聚合物復合材料中提供增強、耐候、抗濕、增容的優異性能。
?。?）甲基丙烯酰氧基類硅烷偶聯劑
這類硅烷偶聯劑同時具有聚合反應和共聚反應的雙重特性，它既可用于樹脂復合材料，還可用于有機硅或者有機聚合物材料化學的結構改性。由于此類硅烷偶聯劑在加熱或光照的條件下易產生自由基引發聚合反應，在光固化有機硅涂料、清漆或膠黏劑中常作為光引發聚合交聯的基團使用。
常見有機聚合物和相應硅烷偶聯劑的有機官能團
3、硅烷偶聯劑的用途及效果
功能性硅烷是一類重要且用途廣泛的助劑，可應用于無機物表面改性、熱固性樹脂基復合材料改性、熱塑性樹脂基復合材料改性，以及橡膠、涂料、膠粘劑和密封膠等。
硅烷偶聯劑的應用效果
?。?）硅烷偶聯劑應用于表面處理
硅烷偶聯劑能改善玻璃纖維和樹脂的粘合性能，大大提高玻璃纖維增強復合材料的強度、電氣、抗水、抗氣候等性能，即使在濕態時，它對復合材料機械性能的提高，效果也十分顯著。在玻璃纖維中使用硅烷偶聯劑已相當普遍，用于這一方面的硅烷偶聯劑約占其消耗總量的50%，其中用得較多的品種是環氧基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷等。
?。?）硅烷偶聯劑改性無機填料
礦物填料處理礦物填料已成為有機聚合物越來越重要的添加劑和改性劑。礦物表面的金屬羥基通常非常疏水，與有機聚合物非常不相容。硅烷非常適合處理礦物表面，使礦物在聚合物中更加相容和分散，甚至使填料成為增強添加劑。
例如，石英、長石、云母、高嶺土等呈酸性的硅酸鹽礦物表面可以與硅烷偶聯劑進行鍵合，形成較牢固的化學吸附。
可預先對填料進行表面處理，也可直接加入樹脂中。能改善填料在樹脂中的分散性及粘合力，改善無機填料與樹脂之間的相容性，改善工藝性能和提高填充塑料（包括橡膠）的機械、電學和耐氣候等性能。
?。?）用作密封劑、粘接劑和涂料的增粘劑
有機硅烷偶聯劑能提高它們的粘接強度、耐水、耐氣候等性能。硅烷偶聯劑往往可以解決某些材料長期以來無法粘接的難題。硅烷偶聯劑作為增粘劑的作用原理在于它本身有兩種基團；一種基團可以和被粘的骨架材料結合；而另一種基團則可以與高分子材料或粘接劑結合，從而在粘接界面形成強力較高的化學鍵，大大改善了粘接強度。
我國功能性硅烷消費結構
4、硅烷偶聯劑的選擇原則
硅烷偶聯劑的水解速度取于硅能團Si-X，而與有機聚合物的反應活性則取于碳官能團C-Y。因此，對于不同基材或處理對象，選擇適用的硅烷偶聯劑至關重要。
選擇的方法主要通過試驗預選，并應在既有經驗或規律的基礎上進行。例如，在一般情況下，不飽和聚酯多選用含CH2=CMeCOO、Vi及CH2-CHOCH2O－的硅烷偶聯劑；環氧樹脂多選用含CH2－CHCH2O及H2N－硅烷偶聯劑；酚醛樹脂多選用含H2N－及H2NCONH－硅烷偶聯劑；聚烯烴選用乙烯基硅烷；使用硫黃硫化的橡膠則多選用烴基硅烷等。
由于異種材料間的黏接可度受到一系列因素的影響，諸如潤濕、表面能、界面層及極性吸附、酸堿的作用、互穿網絡及共價鍵反應等。因而，光靠試驗預選有時還不夠精確，還需綜合考慮材料的組成及其對硅烷偶聯劑反應的敏感度等。
為了提高水解穩定性及降低改性成本，硅烷偶聯劑中可摻入三烴基硅烷使用；對于難黏材料，還可將硅烷偶聯劑交聯的聚合物共用。硅烷偶聯劑用作增黏劑時，主要是通過與聚合物生成化學鍵、氫鍵；潤濕及表面能效應；改善聚合物結晶性、酸堿反應以及互穿聚合物網絡的生成等而實現的。
增黏主要圍繞3種體系，一是無機材料對有機材料，二是無機材料對無機材料，三是有機材料對有機材料。對于第一種黏接，通常要求將無機材料黏接到聚合物上，故需優先考慮硅烷偶聯劑中Y與聚合物所含官能團的反應活性；后兩種屬于同類型材料間的黏接，故硅烷偶聯劑自身的反親水型聚合物以及無機材料要求增黏時所選用的硅烷偶聯劑。
總體來說，硅烷類偶聯劑的選用原則如下：
1）硅烷類偶聯劑主要適用于玻璃纖維及含硅填料，如石英、硅灰石等，也可用于部分金屬的氧化物及氫氧化物，但不適用于碳酸鈣。樹脂主要為熱固性樹脂。
2）鈦酸酯類偶聯劑對填料的適用范圍廣，如碳酸鈣，鈦白粉等，還可用于玻璃纖維中。樹脂主要為熱塑性樹脂。
3）酸性填料應選用含堿性官能團的偶聯劑，而堿性填料應選用含酸性官能團的偶聯劑。
4）偶聯劑加入量。硅烷偶聯劑的用量可為填料的1%左右；鈦酸酸類用量一般為填料的0.25~2%。
5）一些表面活性劑會影響鈦酸酯偶聯劑用的發揮，如HSt等，因此它們必須在填料、偶聯劑、樹脂充分混合后加入。
6）大多數鈦酸酯類偶聯劑易與酯類增塑劑發生酯交換反應，因此，此類偶聯劑需待偶聯劑加入后方可加入。鈦酸酯類與硅烷類偶聯劑混合加入協同效果好。
5、硅烷偶聯劑的使用方法
硅烷偶聯劑一般配成稀的水溶液，其濃度一般0.1%-2%，常用乙醇/水作溶劑，用醋酸調節pH 4-5左右，醋酸可以加速硅烷水解，又可以提高硅醇的穩定性。
具體操作方法：
?。?）計算配制濃度0.1%-2%的硅烷溶液需要的乙醇/水的用量，然后用醋酸調節pH值4-5，氨基硅烷不需要調節pH值。
?。?）緩慢滴加硅烷偶聯劑到乙醇/水溶液，并不斷攪動，防止過快加入導致硅烷凝膠。
?。?）滴加完成后，攪拌直到溶液透明時結束。
硅烷偶聯劑處理粉體的方法：
?。?）干法處理
 ?。?）濕法處理
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