偶聯(lián)劑KH550

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_{偶聯(lián)劑}

本詞條由“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項目 審核 。
在塑料配混中，改善合成樹脂與無機(jī)填充劑或增強材料的界面性能的一種塑料添加劑。又稱表面改性劑。它在塑料加工過程中可降低合成樹脂熔體的粘度，改善填充劑的分散度以提高加工性能，進(jìn)而使制品獲得良好的表面質(zhì)量及機(jī)械、熱和電性能。
其用量一般為填充劑用量的0.5～2%。偶聯(lián)劑一般由兩部分組成：一部分是親無機(jī)基團(tuán)，可與無機(jī)填充劑或增強材料作用；另一部分是親有機(jī)基團(tuán)，可與合成樹脂作用。
中 文 名   偶聯(lián)劑                   外文名   coupling reagent
分子結(jié)構(gòu)   分子中含有化學(xué)性質(zhì)不同   分    類   鉻絡(luò)合物、硅烷類、鈦酸酯類
應(yīng)用領(lǐng)域   玻纖、玻璃鋼：           類    型   塑料配混

簡介

偶聯(lián)劑是一類具有兩不同性質(zhì)官能團(tuán)的物質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)的最大特點是分子中含有化學(xué)性質(zhì)不同的兩個基團(tuán)，一個是親無機(jī)物的基團(tuán)，易與無機(jī)物表面起化學(xué)反應(yīng)；另一個是親有機(jī)物的基團(tuán)，能與合成樹脂或其它聚合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或生成氫鍵溶于其中。因此偶聯(lián)劑被稱作“分子橋”，用以改善無機(jī)物與有機(jī)物之間的界面作用，從而大大提高復(fù)合材料的性能，如物理性能、電性能、熱性能、光性能等。偶聯(lián)劑用于橡膠工業(yè)中，可提高輪胎、膠板、膠管、膠鞋等產(chǎn)品的耐磨性和耐老化性能，并且能減小NR用量，從而降低成本。偶聯(lián)劑在復(fù)合材料中的作用在于它既能與增強材料表面的某些基團(tuán)反應(yīng)，又能與基體樹脂反應(yīng)，在增強材料與樹脂基體之間形成一個界面層，界面層能傳遞應(yīng)力，從而增強了增強材料與樹脂之間粘合強度，提高了復(fù)合材料的性能，同時還可以防止其它介質(zhì)向界面滲透，改善界面狀態(tài)，有利于制品的耐老化、耐應(yīng)力及電絕緣性能。

發(fā)展歷史

偶聯(lián)劑最早由美國聯(lián)合碳化物公司（UCC）為發(fā)展玻璃纖維增強塑料而開發(fā)。早在40年代，當(dāng)玻璃纖維首次用作有機(jī)樹脂的增強材料，制備廣泛使用的玻璃鋼時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)它們長期置于潮氣中，其強度會因為樹脂與親水性的玻璃纖維脫粘而明顯下降，進(jìn)而不能得到耐水復(fù)合材料。鑒于含有官能團(tuán)的有機(jī)硅材料是同時與二氧化硅（即玻璃纖維的主要成分）和樹脂有兩親關(guān)系的有機(jī)材料及無機(jī)材料的“雜交”體，試用它作為“粘合劑”或偶聯(lián)劑，來改善有機(jī)樹脂與無機(jī)表面的粘接，以達(dá)到改善聚合物性能的目的，就成為科技工作者的一大設(shè)想，并在實際應(yīng)用中取得了較好的效果。因此自40年代初至60年代是偶聯(lián)劑產(chǎn)生和發(fā)展時期，并形成了第一代硅烷類偶聯(lián)劑。工業(yè)上使用偶聯(lián)劑按照化學(xué)結(jié)構(gòu)分類可分為：硅烷類，鈦酸酯類，鋁酸酯類，有機(jī)鉻洛合物，硼化物，磷酸酯，鋯酸酯，錫酸酯等。它們廣泛地應(yīng)用在塑料橡膠等高分子材料領(lǐng)域之中。

分類

按偶聯(lián)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)及組成分為有機(jī)鉻絡(luò)合物、硅烷類、鈦酸酯類和鋁酸化合物四大類： 

鉻絡(luò)合物偶聯(lián)

劑 鉻絡(luò)合物偶聯(lián)劑開發(fā)于50年代初期，由不飽和有機(jī)酸與三價鉻離子形成的金屬鉻絡(luò)合物，合成及應(yīng)用技術(shù)均較成熟，而且成本低，但品種比較單一。

硅烷偶聯(lián)劑

硅烷偶聯(lián)劑的通式為RSiX3，式中R代表氨基、巰基、乙烯基、環(huán)氧基、氰基及甲基丙烯酰氧基等基團(tuán)，這些基團(tuán)和不同的基體樹脂均具有較強的反應(yīng)能力，X代表能夠水解的烷氧基（如甲氧基、乙氧基等）。硅烷偶聯(lián)劑在國內(nèi)有KH550，KH560，KH570，KH792，DL602，DL171這幾種型號。

鈦酸酯偶聯(lián)劑

依據(jù)它們獨特的分子結(jié)構(gòu)，鈦酸酯偶聯(lián)劑包括四種基本類型：①單烷氧基型 這類偶聯(lián)劑適用于多種樹脂基復(fù)合材料體系，尤其適合于不含游離水、只含化學(xué)鍵合水或物理水的填充體系；②單烷氧基焦磷酸酯型 該類偶聯(lián)劑適用于樹脂基多種復(fù)合材料體系，特別適合于含濕量高的填料體系；③螯合型 該類偶聯(lián)劑適用于樹脂基多種復(fù)合材料體系，由于它們具有非常好的水解穩(wěn)定性，這類偶聯(lián)劑特別適用于含水聚合物體系；④配位體型 該類偶聯(lián)劑用在多種樹脂基或橡膠基復(fù)合材料體系中都有良好的偶聯(lián)效果，它克服了一般鈦酸酯偶聯(lián)劑用在樹脂基復(fù)合材料體系的缺點。

其它偶聯(lián)劑

鋯類偶聯(lián)劑是含鋁酸鋯的低分子量的無機(jī)聚合物。它不僅可以促進(jìn)不同物質(zhì)之間的粘合，而且可以改善復(fù)合材料體系的性能，特別是流變性能。該類偶聯(lián)劑既適用于多種熱固性樹脂，也適用于多種熱塑性樹脂。此外還有鎂類偶聯(lián)劑和錫類偶聯(lián)劑。
增強塑料中，能提高樹脂和增強材料界面結(jié)合力的化學(xué)物質(zhì)。
在樹脂基體與增強材料的界面上，促進(jìn)或建立較強結(jié)合的物質(zhì)。
注：偶聯(lián)劑可施于增強材料上或加入樹脂中，或兩者給合。

作用機(jī)理

了解鈦酸酯結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，可以幫助你正確選用各類品種。
四價元素是最好的分子建筑者，例如四價鈦碳---構(gòu)成了生命的基礎(chǔ)。同樣鈦化學(xué)表明，四價鈦可以使化學(xué)家們合成出各種分子類型的鈦酸酯作為偶聯(lián)劑，它們除了能為不同的填充劑和聚合物體系提供良好的偶聯(lián)作用外，還顯示其它各種功能。
鈦酸酯偶聯(lián)劑的分子可以劃分為六個功能區(qū)，它們在偶聯(lián)機(jī)制中分別發(fā)揮各自的作用。 六個功能區(qū)：
功能區(qū)① （RO)m -起無機(jī)物與鈦偶聯(lián)。
鈦酸酯偶聯(lián)劑通過它的烷氧基直接和填料或顏料表面所吸附的微量羧基或羥基進(jìn)行化學(xué)作用而偶聯(lián)。
由于功能區(qū)①基團(tuán)的差異開發(fā)了不同類型偶聯(lián)劑，每種類型對填料表面的含水量有選擇性，各類型特點：
1、單烷氧基型；
單烷氧基鈦酸酯在無機(jī)粉末和基體樹脂的界面上產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合，它所具有的極其獨特的性能是在無機(jī)粉末的表面形成單分子膜，而在界面上不存在多分子膜。
因為依然具有鈦酸酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)，所以在過剩的偶聯(lián)劑存在下，使表面能變化，粘度大幅度降低，在基體樹脂相由于偶聯(lián)劑的三官能基和酯基轉(zhuǎn)移反應(yīng)，可使鈦酸酯分子偶聯(lián)，這就便于鈦酸酯分子的變型和填充聚合物體系的選用。
該類偶聯(lián)劑（除焦磷酸型外）特別適合于不含游離水，只含化學(xué)鍵合水或物理鍵合水的干燥填充劑體系，如碳酸鈣、水合氧化鋁等。
2、單烷氧基焦磷酸酯型：
該類鈦酸酯適合于含濕量較高的填充劑體系，如陶土、滑石粉等，在這些體系中，除單烷氧基與填充劑表面的羥基反應(yīng)形成偶聯(lián)外，焦磷酸酯基還可以分解形成磷酸酯基，結(jié)合一部份水。
3、配位型：
可以避免四價鈦酸酯在某些體系中的副反應(yīng)。如在聚酯中的酯交換反應(yīng)，在環(huán)氧樹脂中與羥基的反應(yīng)，在聚氨酯中與聚醇或異氰酸酯的反應(yīng)等。該類偶聯(lián)劑在許多填充劑體系中都適用，有良好的偶聯(lián)效果，其偶聯(lián)機(jī)理和單烷氧基型類似。
4、螫合型：
該類偶聯(lián)劑適用于高濕填充劑和含水聚合物體系，如濕法二氧化硅、陶土、滑石粉、硅酸鋁、水處理玻璃纖維、燈黑等，在高濕體系中，一般的單烷氧基型鈦酸酯由于水解穩(wěn)定性較差，偶聯(lián)效果不高，而該型具有較好的水解穩(wěn)定性，在此狀態(tài)下，顯示良好的偶聯(lián)效果。
功能區(qū)② -（--O……）--具有酯基轉(zhuǎn)移和交聯(lián)功能。
該區(qū)可與帶羧基的聚合物發(fā)生酯交換反應(yīng)，或與環(huán)氧樹脂中的羧基進(jìn)行酯化反應(yīng)，使填充劑、鈦酸酯和聚合物三者交聯(lián)。
酯交換反應(yīng)性受以下幾個因素支配：
1、鈦酸酯分子與無機(jī)物偶聯(lián)部份的化學(xué)結(jié)構(gòu)；
2、功能區(qū)③上的OX基團(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)；
3、有機(jī)聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)；
4、其它助劑如酯類增塑劑的化學(xué)性質(zhì)。
鈦酸酯在聚烯烴之類的熱塑性聚合物中不發(fā)生酯交換反應(yīng)，但在聚酯，環(huán)氧樹脂中或者在加有酯類增塑劑的軟質(zhì)聚氯乙烯塑料中，酯交換反應(yīng)卻有很大影響。酯交換反應(yīng)的活性太高會造成不良后果，例如象KR-9S那樣的鈦酸酯，當(dāng)加入到聚合物中后，能迅速發(fā)生酯交換反應(yīng)，初期粘度急劇升高，使填充量大大下降，而象KR-12那樣的鈦酸酯、酯交換反應(yīng)的活性低，沒有初期粘度效應(yīng)，但酯交換反應(yīng)可隨著時間逐漸進(jìn)行，這樣不但初期的分散性良好，而且填充量可大為增加。
在涂料中可利用鈦酸酯偶聯(lián)劑的酯交換機(jī)制來交聯(lián)固化飽和聚酯和醇酸樹脂，從而可得到一種不泛黃的材料（因為不含不飽和結(jié)構(gòu)），由于酯交換作用可以表現(xiàn)觸變性，因此有較高酯交換活力的KR-9S具有觸變性效果，TTS也有一定程度的酯交換能力。
功能區(qū)③ OX--連接鈦中心的基團(tuán)。
這一部位的OX基團(tuán)隨基結(jié)構(gòu)不同，對鈦酸酯的性能有不同影響，例如羧基可增加與半極性材料的相溶性，磺酸基具有觸變性，砜基可增加酯交換活性，磷酸酯基可提高阻燃性，聚氯乙烯的軟化性；焦磷酸酯基可吸收水份，改進(jìn)硬質(zhì)聚氯乙烯的沖擊強度，亞磷酸酯基可提高抗氧性，降低聚酯或環(huán)氧樹酯中的粘度等。
功能區(qū)④ R---熱塑性聚合物的長鏈糾纏基團(tuán)，鈦酸酯分子中的有機(jī)骨架。
由于存在大量長鏈的碳原子數(shù)提高了和高分子體系的相溶性，引起無機(jī)物界面上表面能的變化，具有柔韌性及應(yīng)力轉(zhuǎn)移的功能，產(chǎn)生自潤滑作用，導(dǎo)致粘度大幅度下降，改善加工工藝，增加制品的延伸率和撕裂強度，提高沖擊性能，如果R為芳香基，可提高鈦酸酯與芳烴聚物的相溶性。
功能區(qū)⑤ Y---熱固性聚合物的反應(yīng)基團(tuán)。
當(dāng)它們連接在鈦的有機(jī)骨架上，就能使偶聯(lián)劑和有機(jī)材料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而連接起來，例如雙鍵能和不飽和材料進(jìn)行交聯(lián)固化，氨基能和環(huán)氧樹脂交聯(lián)等。
功能區(qū)⑥ )n 它代表鈦酸酯的官能度，n可以為1-3，因而能根據(jù)需要調(diào)節(jié)，使它對有機(jī)物產(chǎn)生多種不同的效果，在這一點上靈活性要比象硅烷那樣的三烷氧基單官能偶聯(lián)劑大。
從上述六個功能區(qū)的作用，可以看出鈦酸酯偶聯(lián)劑具有很大的靈活性和多功能性，它本身既是偶聯(lián)劑,也可以是分散劑、濕潤劑、粘合劑、交聯(lián)劑、催化劑等、還可以兼有防銹、抗氧化、阻燃等多功能，因此應(yīng)用范圍很廣，勝過其它偶聯(lián)劑。 

主要功能

玻纖、玻璃鋼： 提高復(fù)合材料濕態(tài)物理機(jī)械強度、濕態(tài)電氣性能，并改善玻纖的集束性、保護(hù)性和加工工藝。
膠粘劑和涂料： 提高濕態(tài)下的粘合力、耐候性，改善顏料分散性，提高耐磨性和樹脂的交聯(lián)。
鑄造： 提高樹脂砂的強度。以實現(xiàn)高度、低發(fā)氣。
橡膠： 提高制品機(jī)械強度、耐磨性、濕態(tài)電氣性能和流變性。
密封膠： 提高濕態(tài)的粘合力，提高填料的分散性，制品耐磨性。
紡織： 令紡織品柔軟豐滿、提高其防水性、以及對染料的粘合力。
印刷油墨： 提高粘合力的浸潤性。
填料表面處理： 在樹脂中提高填料和樹脂的相容性、浸潤性、分散性。
交聯(lián)聚乙烯： 用于交聯(lián)聚乙烯電纜及熱水管增強強度。耐用性及使用壽命。

主要用途

增強塑料中，能提高樹脂和增強材料界面結(jié)合力的化學(xué)物質(zhì)。
在樹脂基體與增強材料的界面上，促進(jìn)或建立較強結(jié)合的物質(zhì)。
注：偶聯(lián)劑可施于增強材料上或加入樹脂中，或兩者給合。
應(yīng)用領(lǐng)域、主要功能功能：
玻纖、玻璃鋼： 提高復(fù)合材料濕態(tài)物理機(jī)械強度、濕態(tài)電氣性能，并改善玻纖的集束性、保護(hù)性和加工工藝。
膠粘劑和涂料： 提高濕態(tài)下的粘合力、耐候性，改善顏料分散性，提高耐磨性和樹脂的交聯(lián)。
鑄造： 提高樹脂砂的強度。以實現(xiàn)高度、低發(fā)氣。
橡膠： 提高制品機(jī)械強度、耐磨性、濕態(tài)電氣性能和流變性。
密封膠： 提高濕態(tài)的粘合力，提高填料的分散性，制品耐磨性。
紡織： 令紡織品柔軟豐滿、提高其防水性、以及對染料的粘合力。
印刷油墨： 提高粘合力的浸潤性。
填料表面處理： 在樹脂中提高填料和樹脂的相容性、浸潤性、分散性。
交聯(lián)聚乙烯： 用于交聯(lián)聚乙烯電纜及熱水管增強強度。耐用性及使用壽命。