有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑在汽車(chē)業(yè)中的應(yīng)用

汽車(chē)彩色底漆外要加一道清漆。這道清漆會(huì)受到來(lái)自環(huán)境的損害(如酸雨、紫外線降解、高相對(duì)濕度和高溫)，涂料表面還要遭受馬路上的砂石沖擊和研磨劑的刮擦傷。通常，硬漆膜的抗刮傷性好；硅烷還有一潛在應(yīng)用是制造高性能陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)零件尤其是使用硅烷制造硅化物(Si3N4,SiC等)微粉技術(shù)越來(lái)越受重視。但交聯(lián)度高，導(dǎo)致漆膜變脆，使其抗砂石和受熱沖擊性差。軟的漆膜則相反，不易受砂石或熱沖擊而開(kāi)裂，但抗劃傷性、防水斑和酸蝕性減弱。由此，人們想到了在低交聯(lián)度的清漆中加入用硅烷偶聯(lián)劑表面處理的膠體二氧化硅，這種表面有反應(yīng)性的微?？梢蕴岣咔迤岬目箘潅?。但另一個(gè)問(wèn)題又出現(xiàn)了，涂料中的殘余活性基團(tuán)如Si-OH、Si-OR在后期的大氣老化過(guò)程中會(huì)慢慢地發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而也會(huì)使漆膜變脆導(dǎo)致開(kāi)裂。為此加入活性基團(tuán)少的線性結(jié)構(gòu)的硅氧烷，既可避免漆膜變脆，又能獲得如同加入膠體二氧化硅一樣的好處。

為了適應(yīng)環(huán)保需要，道康寧有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑正在通過(guò)研發(fā)有機(jī)硅類(lèi)抗摩擦降噪音的汽車(chē)涂料，以解決汽車(chē)在日常使用過(guò)程所出現(xiàn)的噪音和摩擦聲。

采用 γ-甲酰氧丙基氧硅烷(KH 570)與甲酸酯類(lèi)單體、酸及其酯類(lèi)單體等共聚合成的有機(jī)硅改性高固體分羥基酸樹(shù)脂具有減少污染、降低VOC、減少工序等優(yōu)點(diǎn)，有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑是目前綠色汽車(chē)涂料的主要品種之一。由于KH 570的活性與酸酯相近，因此易于共聚。將硅烷中鍵能大、表面能低的Si-O鍵引入，是改性酸樹(shù)脂的主要手段。用該樹(shù)脂制備的汽車(chē)涂料具有較高的鉛筆硬度、附著力好、耐沖擊性、耐酸性和耐堿性俱佳。隨著KH 570含量的增加，這些性能逐漸增強(qiáng)；現(xiàn)在，硅烷偶聯(lián)劑基本上適用于所有無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料的連接表面，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)、航空、電子和建筑等行業(yè)中。同時(shí)水接觸角增加，表明KH 570與高固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)樹(shù)脂形成的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)使涂膜表面疏水性逐漸增加。

功能性有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑

功能性硅烷與硅橡膠、硅油及硅樹(shù)脂并稱(chēng)為有機(jī)硅材料四大門(mén)類(lèi)；從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，通常將主鏈為-Si-O-C-結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅小分子統(tǒng)稱(chēng)為功能性硅烷，而將主鏈為-Si-O-Si-結(jié)構(gòu)的小分子中間體和聚合物大分子一般稱(chēng)之為硅氧烷，即硅橡膠、硅油及硅樹(shù)脂產(chǎn)品；這既可能是指真正粘接力的提高，也可能是指浸潤(rùn)性、流變性和其它操作性能的改進(jìn)。從功能上來(lái)看，功能性硅烷多為雜交結(jié)構(gòu)，多數(shù)產(chǎn)品在同一個(gè)分子中同時(shí)含極性與非極性兩類(lèi)官能團(tuán)，可以作為無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料的界面橋梁或者直接參與有機(jī)聚合材料的交聯(lián)反應(yīng)，從而大幅提高材料性能。

功能性硅烷有下列不同分類(lèi)方法：按活性有機(jī)基團(tuán)與Si的相對(duì)取代位置可分為γ-取代和α-取代兩種類(lèi)型；按可水解基團(tuán)官能度分為三官能和雙官能兩種，其中三官能占市場(chǎng)絕大部分；因此以HTV硅橡膠、縮合型室溫硫化(RTV)硅橡膠和加成型液體硅橡膠為基料，配以填料、顏料、助劑和溶劑等制備的透明(清漆)或不透明的有色涂料(色漆)開(kāi)始規(guī)模生產(chǎn)。有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑按取代基種類(lèi)分類(lèi)更多，其中含硫基、氨基類(lèi)、鏈烯基類(lèi)、環(huán)氧基類(lèi)、酰氧基類(lèi)是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和消費(fèi)較大的品種。按用途可分為偶聯(lián)劑和交聯(lián)劑兩大類(lèi)。

硅烷品種眾多，其用途主要根據(jù)官能團(tuán)品種及結(jié)構(gòu)決定，有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑主要應(yīng)用領(lǐng)域包括橡膠、復(fù)合材料、塑料、粘合劑等領(lǐng)域，跨度非常廣。硅烷在橡膠中主要指輪胎加工用途，復(fù)合材料中主要指對(duì)材料中無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料之間進(jìn)行界面處理用途，粘合劑則主要指室溫硫化硅橡膠使用的交聯(lián)劑以及其他非硅類(lèi)粘合劑的應(yīng)用，塑料主要是指聚烯烴加工用途。其他行業(yè)如紡織、涂料、油墨等行業(yè)也有涉足，但受產(chǎn)品質(zhì)量和牌號(hào)限制，國(guó)產(chǎn)硅烷在這幾個(gè)消費(fèi)領(lǐng)域所占比例較小。硅烷處理與傳統(tǒng)的磷化法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)有害重金屬離子，不含磷，無(wú)需加溫且硅烷處理過(guò)程不產(chǎn)生沉渣，處理時(shí)間短，控制簡(jiǎn)便。

有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑與硅微粉的作用機(jī)理

硅烷偶聯(lián)劑比較成熟的作用機(jī)理是化學(xué)鍵結(jié)合理論：硅烷偶聯(lián)劑中含有兩類(lèi)不同的化學(xué)官能團(tuán)，有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑它的一端能與無(wú)機(jī)材料OH反應(yīng)，形成氫鍵，并在一定的條件下縮合、脫水和固化，形成共價(jià)鍵；使用硅烷氣相反應(yīng)的方法制備的微粉純度較高,粒度細(xì)而勻,可使陶瓷零部件性能大大提高。另一端又能與有機(jī)高分材料結(jié)合，從而使有機(jī)高分子材料-硅烷偶聯(lián)劑-無(wú)機(jī)材料之間產(chǎn)生一種良好的界面結(jié)合，將兩種性質(zhì)差異較大的材料牢固的結(jié)合在一起。

有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑該反應(yīng)過(guò)程分為四步：

步是硅烷偶聯(lián)劑中與Si相連的3個(gè)水解基團(tuán)與水反應(yīng)，生成硅醇；

第2步是硅醇之間脫水，縮合成Si-OH的低聚硅氧烷；

第3步是低聚硅氧烷的Si-OH與硅微粉表面上的OH反應(yīng)，形成氫鍵；

第4步是在加熱的過(guò)程中產(chǎn)生縮合、脫水及固化反應(yīng)，達(dá)到與硅微粉形成牢固的共價(jià)鍵結(jié)合。剩下的兩個(gè)Si-OH或者與其它硅烷偶聯(lián)劑中的Si-OH縮合，或者保持游離狀態(tài)。

新型多功能有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑在粉體材料中運(yùn)用的理論與實(shí)踐

對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，顆粒與樹(shù)脂之間的界面往往是應(yīng)力集中點(diǎn)和微裂紋發(fā)起點(diǎn)，為了進(jìn)一步改善界面，提高材料整體性能，需要采用偶聯(lián)劑對(duì)其表面進(jìn)行改性。偶聯(lián)劑種類(lèi)繁多，硅烷偶聯(lián)劑正是其中之一。

硅烷偶聯(lián)劑（簡(jiǎn)稱(chēng)“SCA”或“硅烷”）是能同時(shí)與極性物質(zhì)和非極性物質(zhì)產(chǎn)生一定結(jié)合力，把兩種性質(zhì)完全不同的材料連接在一起的化合物硅，其通式可表示為R-SiX3。身為偶聯(lián)劑中被應(yīng)用得早、廣泛的一員，硅烷偶聯(lián)劑發(fā)展至今已有近70年的歷史，幾乎可以與任何一種材料交聯(lián)，包括熱固性材料、熱塑性材料、橡膠及無(wú)機(jī)材料等，因此應(yīng)用十分廣泛。剩下的兩個(gè)Si-OH或者與其它硅烷偶聯(lián)劑中的Si-OH縮合，或者保持游離狀態(tài)。

但隨著現(xiàn)代復(fù)合材料研究的不斷發(fā)展，對(duì)硅烷偶聯(lián)劑性能要求越來(lái)越高，不同功能、不同要求的新產(chǎn)品被陸續(xù)被研制和開(kāi)發(fā)出來(lái)。其新型多功能硅烷便是其中一員，具有如下優(yōu)勢(shì)：

①有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑和無(wú)機(jī)填料的表面包覆率更高；

②和有機(jī)樹(shù)脂的相容性更廣；

③有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑功能特點(diǎn)更明顯；

④填料添加量更大，使下游客戶的生產(chǎn)成本降低更明顯。