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硅烷偶联剂在新材料中的应用研究

发布日期:2020/10/23 9:04:26

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。

1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-SiX3: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是短链烷撑基,通过它把Y和SiX3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。

2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 Ω 降低至0.19 Ω。

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。

2.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。

除了制备纳米级的材料的研究,在复合材料中也有应用,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%。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%。

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。

3.硅烷偶联剂在电化学材料中的应用研究:

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。

4.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VitaMarkⅡ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+Beautifil 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MarkⅡ瓷的粘结强度。

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。

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