简析无机粉体用偶联剂的分类及改性原理

2017-08-29

  粉体工业是重要的基础原料工业,在一些高分子材料工业及高聚物复合材料领域中,粉体常常用作无机矿物填料。不仅降低了材料的生产成本,而且还能提高复合材料的力学性能以及稳定性,甚至可以赋于材料某些特殊的物理化学性能,如耐腐蚀性、绝缘性和阻燃性等。

  但是由于无机粉体与有机高聚物的界面性质不同,因此当以无机粉体作为填充物时,除了需要相关的粒度和粒度分布要求之外,还必须对其表面进行改性,以改善其表面的物理化学特性,使其趋近基体的表面特性提高其在基体中的分散性,从而提高材料的力学性能及综合性能。

  偶联剂的分类

  无机粉体改性需要用表面改性剂,表面改性剂的种类很多,偶联剂是应用最多的一种。在填充体系中起到分散、偶联、增容、补强等作用。偶联剂的种类繁多,按其组成成分可分为: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、铬络合物及其它高级脂肪酸、醇、酯的偶联剂等,目前应用范围最广的是硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂。

  偶联剂改性机理

  偶联剂分子结构的最大特点是分子中具有能分别与无机物和有机物反应的两种性质不同的官能团的低分子化合物。其分子中含有化学性质不相同的两个基团,一个基团亲无机物,易于无机粉体表面起化学反应;另一个基团亲有机物,能与聚合物起化学反应,生成化学键。因此偶联剂又被称为“分子桥”,用于改善无机粉体和有机物之间的界面作用,从而大大提高材料的各方面性能。

  1、硅烷偶联剂

  硅烷偶联剂是人们研究最早、应用最早的偶联剂。它是近年来发展较快的一类有机硅产品,其品种繁多,结构新颖,仅已知结构的产品就有百余种。其通式为RnSiX(4-n),式中R为非水解的、可与高分子聚合物结合的有机官能团。如甲基、乙烯基、氨基、环氧基、巯基、丙烯酰氧丙基等。X为可水解基团,遇水溶液、空气中的水分或无机物表面吸附的水分均可引起分解,与无机物表面有较好的反应性。典型的X基团有甲氧基、乙氧基、烷氧基、芳氧基、酰基、氯基等。作用机理大致分以下3步:(1)X基水解为羟基;(2)羟基与无机物表面存在的羟基生成氢键或脱水成醚键;(3)R基与有机物相结合。

  硅烷偶联剂主要应用于陶土、滑石粉、硅灰石、炭黑、白炭黑、石英、铝粉、铁粉、氢氧化铝、二氧化硅、云母、玻璃微珠等无机粉体的表面处理中,但不适用于碳酸钙。

  2、钛酸酯偶联剂

  钛酸酯偶联剂是70年代后期由美国肯利奇石油化学公司开发的一种偶联剂。对于热塑型聚合物和干燥的填料有良好的偶联效果。这类偶联剂的通式为RO(4-n)Ti(OX-R’-Y)n(n=2,3)。RO-是可水解的短链烷氧基,能与无机物表面羟基起反应,;-O区可与带羧基的聚合物发生酯交换反应,或与环氧树脂中的羧基进行酯化反应,使填充剂、钛酸酯和聚合物三者交联。OX-决定钛酸酯所具有的特殊功能,可以是羧基、烷氧基、磺酸基、磷基等。钛酸酯偶联剂的作用应归结于它对界面的影响,即它能在无机填料和有机聚合物之间形成化学桥键,这种偶联剂的特点是能在填料表面形成单分子层而不会形成多分子层,并且由于其本身的化学结构特点,使钛酸酯偶联剂具有表面改性效果。

  钛酸酯偶联剂可用来处理碳酸钙、滑石粉、硫酸钡、氢氧化铝等无机粉体填料。

  3、铝酸酯偶联剂

  铝酸酯偶联剂是由福建师范大学研制出的一种新型偶联剂,其结构与钛酸酯偶联剂类似,分子中存在两类活性基团,一类可与无机填料表面作用;另一类可与树脂分子缠结。铝酸酯偶联剂化学通式为

  其中Dn代表配位基团;RO能与无机粉体发生反应;COR为与高聚物基料作用的基团。

  适用于碳酸钙、硅灰石、滑石粉、高岭土、膨润土、石膏粉、氧化铝、氢氧化铝等无机粉体和氧化铁红、锌钡白、钛白粉等颜料的表面改性。