硅烷偶联剂在新材料中的应用研究

1、硅烷偶联剂在新材料中的应用研究胡登平 08080323南京师范大学化学与材料科学学院应用化学专业摘要:硅烷偶联剂由于其独特的结构, 越来越受到人们的喜欢, 在硅烷偶联剂产生到应用已经有很多年了, 随着新材料的研究成为热门,硅烷偶联剂在其中扮演着十分重要角色,本文简单简单介绍一下硅烷偶联剂 在新材料中的应用研究,具体的是偶联剂在光材料,纳米材料,复合材料,电化学材料,烤瓷中的应用。 关键字:硅烷偶联剂 新材料一.硅烷偶联剂的组成和作用机理:硅烷偶联剂是一类具有特征结构的有机硅化合物,可以表示为:Y-R-SiX 3:表达式中的 Y 表示可以与有机物起反应的基团,比如乙烯基,苯基,氨基等, R 是短

2、链烷撑基,通过它 把 Y 和 SiX 3连接起来, X 是可以水解生成 Si-OH 的基团,可以使卤素,乙酰基等。可以形 象地表示成:无机材料 -分子桥 -有机材料。硅烷偶联剂的作用机理有五种理论:化学键理论, 表面浸润理论, 变形层理论,拘束层 理论和可逆水解键理论。二,硅烷偶联剂在新材料中的应用研究:硅烷偶联剂的应用面极广, 可以处理有机材料, 也可以处理无机材料。 通过硅烷偶联剂 的处理后材料的某些性能会得到显著提高。 以下介绍几种硅烷偶联剂的在新材料中的具体应 用研究。1. 硅烷偶联剂在光材料中的应用研究:西安交大重点研究了硅烷偶联剂对太阳电池铝浆性能的影响及分析,他们重点研究了 添加

3、不同质量分数 w (硅烷偶联剂 (0.5%-3.0%对铝浆有机载体的表面张力、铝膜表面划 痕、起灰、导电性能的影响规律。结果表明:当 w (硅烷偶联剂为 2.5%时,有机载体的表 面张力可从约 30 mN/m 降低至 25.69 mN/m,提高了铝粉颗粒之间以及铝膜与硅片之间的黏附 作用,从而减少划痕和灰化,进而可使铝电极的接触电阻由 0.60 降低至 0.19 。 1而又有学者将目光对准了玻璃的发光性能, 而这种玻璃是硅烷偶联剂改性的芪 3 掺杂铅 -锡 -氟磷酸盐的玻璃, 具体的操作是:采用溶有芪 3 的硅烷偶联剂 KBM403对 SnF2粉末进行改 性 , 经改性的 SnF2 粉末有利于

4、提高有机染料芪 3 掺杂的分散性。将含有芪 3的改性 SnF2 粉 末掺入低熔点铅锡氟磷酸盐玻璃 , 获得了芪 3掺杂的有机 /无机杂化玻璃。这种玻璃有更好的 投射性和均匀性。 22. 硅烷偶联剂在纳米级材料及复合材料中应用研究:复合材料由于其优异的性能, 越来越受到大家的青睐。 但是复合材料的固有缺点不能消 除。 通过利用硅烷偶联剂的加入可以制备性能更佳的复合材料。 纳米材料中加入偶联剂后就 像增强体一样,可以显著提高材料性能。用硅酸钠制备纳米 SiO2乳液 , 用氯化铵控制粒径大小 , 然后与天然胶乳共混共沉制备出 SiO2/NR复合材料。采用 SEM 对 SiO2 / NR 复合材料断面

5、进行分析 , 观察 SiO2 粒子大小和形 态 , 并对其力学性能进行测试。结果表明 , 经过硅烷偶联剂处理的纳米 SiO2 在复合材料中 分散均匀 , 力学性能较好。 3除了无机复合材料,在纳米氧化锌制备中也加入了硅烷偶联剂, 采用的硅烷偶联剂有 KH550、 KH 560、 KH 570对纳米 ZnO 进行了改性 , 研究表明硅烷偶联剂 KH570改性效果较好。红外光谱、热重分析研究表明改性后纳米 ZnO 粉体表面包覆了 KH 570; 通过 XRD 衍射, TEM 分析可知改性后纳米 ZnO 粉体的晶型没有发生明显改变但分散性变好。 4除了制备纳米级的材料的研究, 在复合材料中也有应用,

6、 如偶联剂在复合水泥砂浆中应用研 究,他们采取了统一变量法,研究了硅烷偶联剂对普通水泥砂浆、 聚合物改性水泥砂浆、掺 钢纤维水泥砂浆和掺钢纤维聚合物改性水泥砂浆性能的影响 , 研究结果表明 ,0.5%-1%硅烷偶 联剂的水溶液能较大幅度地提高多种复合水泥砂浆的抗折强度和抗拉强度 , 且能提高普通水 泥砂浆和聚合物改性水泥砂浆的稠度 , 但会使其分层度略有增大 . 5又如在废 EMC 粉 /PVC复合 材料,具体制备是:采用硅烷偶联剂 KH-550对废环氧模塑料粉 (废 EMC 粉 进行表面改性并制 备了相应的改性废 EMC 粉 /PVC复合材料 , 对材料的力学性能测试, 表明了拉伸强度、 冲

7、击强度 和弯曲强度分别比未改性时提高了很多,而且也大大改善了废 EMC 粉和 PVC 之间的相容性 , 提高了界面结合强度。 6对于硅烷偶联剂在膨胀阻燃聚丙烯复合体系中的应用研究表明了 :当 A-172(乙烯基硅烷偶联剂 /IFR(膨胀阻燃剂 /PP为 0.5/22.5/77.5时,体系的力学性能基 本不变,但阻燃性能得到了改善。其中氧指数同比提高了 22.5%,体系的热释放速率峰值和 烟释放速率峰值同比分别下降了 9.7%和 98.75%。 7同样对于沥青路用性能的研究表明:随硅 烷偶联剂用量增加 , 复合沥青混合料在 7d 和 28d 龄期的路用性能先提高后降低 , 当用量为 乳化沥青质量

8、分数的 0.6%时 , 混合料冻融劈裂强度比、 马歇尔稳定度和抗压回弹模量等路用 性能提高了 10% 30%。 8华南理工大学研究了表面活性剂和硅烷偶联剂有机复合改性蒙脱土的制备及性能表征, 为增 加蒙脱土与有机物的相容性 , 采用十六烷基三甲基溴化铵 ( CTAB与硅烷偶联剂 (KH2560对 蒙脱土进行了有机复合改性。 表面活性剂和硅烷偶联剂有机复合改性的蒙脱土不仅增大了层 间距 , 且改善了与 PVC 的界面效果 , 提高了在 PVC 基体中的分散均匀性 , 所以其与 PVC 熔融共 混后的复合材料的玻璃化转变温度的增幅最大 , 力学性能的改善也更明显。 93. 硅烷偶联剂在电化学材料中

9、的应用研究:硅烷偶联剂对于电化学材料的影响的研究不是特别多, 华南师范大学研究了硅烷偶联剂 在镁电极固封中的作用, 他们采用了浸涂工艺, 用 W-78和 A-1200硅烷偶联剂对金属镁进行表 面处理, 然后固封制备得到镁电极, 采用对比分析得到的结果是两种硅烷偶联剂都可以改善 镁电极的性能,其中 A-1200效果更好。 10中国兵器工业第五九研究所则是对硅烷偶联剂对 羰基铁粉电磁性能的影响进行了研究,他们利用 FT-IR, SEM 和矢量网络分析仪等对羰基铁 粉改性前后的化学键特性、微观形貌和电磁参数等进行了研究 , 研究结果是羰基铁粉表面包 覆乙烯基三甲氧基硅烷的低聚物后 , 降低了颗粒间的

10、吸引力 , 增加了与有机基体材料的润 湿性 , 分散性得到明显改善。改性后复介电常数实部、虚部、复磁导率虚部都有不同程度的 减小 , 复磁导率实部在低频减小 , 高频没有变化。当硅烷偶联剂用量为 2. 0% 时 , 计算得到改 性羰基铁粉的吸波性能最好 , 反射率最小达到 -37.7dB, 反射率均小于 -10dB 的频率带宽达到 4.8GHz 。 1114. 硅烷偶联剂在牙科中的应用:随着生活水平的提高, 饮食的不注意导致蛀牙的概率大增, 为此人们用烤瓷进行补牙, 而烤瓷的性能在补牙中起很大作用, 它要承受巨大的抗击力, 同时要与牙齿有很好的粘合力, 而硅烷偶联剂正好可以完成这项任务。第四军

11、医大学口腔医学院修复科的主任郭航和他的团队研究了硅烷偶联剂及自酸蚀粘结剂 对 VitaMark 与牙本质粘结强度的影响,具体方法是将切割好的 72 个瓷片经打磨酸蚀后随 机分为 2 组:实验组应用硅烷偶联剂,对照组无处理。每组再分 4 个亚组, 与 4 种粘结材料 (RelyX Veneer、 Panavia F、 RelyX Unicem 和 FL- BOND+Beautifil Flow粘结,万能材料 试验机测其剪切强度,扫描电镜观察粘结界面。实验结果表明:对照组中 RelyX Veneer、 Panavia F 和 RelyX Unicem的剪切强度显著高于 FL- BOND+Beaut

12、ifil Flow的剪切强度 (P< 0.05 。实验组中 4 种粘结材料间的差异无统计学意义 (P > 0. 05 。硅烷偶联剂的应用提高 了 4 种粘结材料的剪切强度。 最终得出的结论是硅烷偶联剂可提高 Mark 瓷的粘结强度。 12另外贵州医学院的张军梅和她的团队则是进行了四种烤瓷合金与复合树脂粘接强度的对比 观察实验, 实验方法则是选择临床常用的 4种烤瓷合金 (金合金、银钯合金、钛合金、 镍铬合 金 ,对其表面打磨、酸蚀后随机分为两组。实验组用硅烷偶联剂进行表面处理,对照组不 处理,然后均用 Voco Cimara 崩瓷修复系统粘接修复。经 37 cC 恒温水浴 24 h

13、 后,用万能测试 机测定合金与复合树脂的剪切强度, 用扫描电镜观察剪切后的断面。 最终得到的结论与银钯 合金、钛合金、镍铬合金相比,金合金与复合树脂粘接强度最大。 13而南昌大学医学院硕 士生则是进行了不同偶联剂和粘结剂对烤瓷瓷面与金属托槽抗剪切强度影响的体外研究, 在 他的论文里得到的结论是硅烷偶联剂能有效增加烤瓷瓷面和金属托槽之间的抗剪切强度, 单 组份硅烷偶联剂和双组份硅烷偶联剂作用没有显著性差异。 光固化复合树脂粘结剂与双组份 硅烷偶联剂合用可获得最大的抗剪切强度。 树脂改良型光固化玻璃离子粘结剂不适合用于金 属托槽与烤瓷瓷面的粘结。 14参考文献:1. 韩鹏,张宏,马亚红,徐晓宙,硅

14、烷偶联剂对太阳电池铝浆性能的影响及分析 J, 电子元件与材料, 2010, 29(10 :49-512. 顾牡,赵志伟,刘小林,倪晨,黄世明,刘波,欧阳晓平,硅烷偶联剂改性的芪 3 掺杂铅 -锡 -氟磷酸盐的玻璃发光性能的研究 J,光谱学与光谱分析, 2010,30(2 , 308-312 3. 唐铭徽 , 桂红星 , 廖小雪 , 李 , 硅烷偶联剂对纳米 SiO2/ NR 复合材料结构与性能的影 响 J,弹性体, 2010,20(1 , 34-374. 佘利娟, 韩静香, 刘宝春, 硅烷偶联剂对纳米氧化锌的表面改性研究 J, 化工时刊, 2010,24 (6 , 15-205. 何娟,苏达根

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