硅烷偶联剂水解工艺研究[设计、开题、综述]
硅烷偶联剂的生产工艺
硅烷偶联剂的生产工艺
硅烷偶联剂是一种广泛应用于化工和材料科学领域的有机硅化
合物，其主要作用是在材料表面形成化学键，并增强材料表面与环境之间的相互作用力，从而改善材料的性能。
在生产硅烷偶联剂时，主要涉及以下几个方面的工艺：
1. 原料选择：硅烷偶联剂的原料主要是含有硅烷基的有机硅化合物，如三乙氧基硅烷、三甲氧基硅烷等。
在选择原料时，需要考虑其纯度、稳定性以及适用性等因素。
2. 反应条件：硅烷偶联剂的生产过程中，通常采用加热、搅拌和加压等条件，以促进反应的进行。
反应的温度和时间、反应物的摩尔比以及反应物的添加方式等都会对反应结果产生影响。
3. 分离纯化：反应完成后，需要对产物进行分离纯化，以提高产品的纯度和质量。
常用的分离纯化方法包括蒸馏、萃取、结晶等。
4. 包装储存：最后，硅烷偶联剂需要进行包装和储存，以保证产品的质量和稳定性。
常用的包装方式包括铝箔袋、玻璃瓶等。
在储存过程中需要注意避免阳光直射和高温环境。
综上所述，硅烷偶联剂的生产工艺包括原料选择、反应条件、分离纯化和包装储存等环节，每个环节都需要严格控制，以确保产品的质量和稳定性。
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硅烷偶联剂BTSPS的水解工艺优化
硅烷偶联剂BTSPS的水解工艺优化吴林冬;刘少友;唐文华;蒋天智;杨红芸;肖志友【摘要】采用电导法对硅烷偶联剂BTSPS的水解工艺进行优化.结果表明:用乙醇和去离子水的混合溶剂作为水解介质,当BTSPS溶液的配比为V(BTSPS):V(乙醇):V(去离子水)=3:10:87,pH=6,水解温度在20～40℃时溶液的水解稳定性较好,在此条件下能有效控制水解和缩合的竞争反应,可为BTSPS在金属表面防腐处理的应用提供良好的水解环境.【期刊名称】《凯里学院学报》【年(卷),期】2011(029)006【总页数】3页(P35-37)【关键词】硅烷偶联剂;BTSPS;水解工艺;优化【作者】吴林冬;刘少友;唐文华;蒋天智;杨红芸;肖志友【作者单位】凯里学院应用化学研究所,贵州凯里556011;凯里学院应用化学研究所,贵州凯里556011;凯里学院应用化学研究所,贵州凯里556011;凯里学院应用化学研究所,贵州凯里556011;凯里学院应用化学研究所,贵州凯里556011;凯里学院应用化学研究所,贵州凯里556011【正文语种】中文金属材料表面前处理对金属表面涂层防腐性能起着非常重要的作用，化学处理中的磷化［1］、钝化［2］等表面处理方法是改善金属材料表面的良好技术，而且工艺成熟，在工业中已有广泛应用.但这些表面处理技术在应用过程中污染物的排放和处理耗费较大，对环境造成较大污染［3］.因此开发既能有效提高防腐涂层与材料表面之间的化学结合力，又能保证无污染的表面处理技术已成为当前表面处理技术中的新兴课题.硅烷偶联剂（silane coupling agents，简称SCA）在改进金属材料表面防腐性能方面体现出良好特性.美国Wim J.van Ooij等［4］发现在铝合金和钢等金属涂装前进行硅烷处理，在其表面形成硅烷膜，可以提高金属与有机涂层的结合力，改善金属的耐腐蚀性.SCA在金属防腐涂层预处理中的作用逐渐被人们所关注.以硅烷偶联剂为主的金属表面防腐技术具有许多优点：制备工艺过程简单，无毒、无污染，适用范围较广，成本低，防腐效果比传统的磷化、钝化、添加缓蚀剂等工艺要好，经过硅烷作前处理的金属表面对涂层的胶粘性能优异.研究表明［5］：硅烷端位含有多羟基的结构特征使它能与金属形成≡Si－O－Me（Me表示金属）化学键，可以提高涂层与金属基体的化学键合力.如能在表面处理工艺研究上获得突破，可为硅烷在金属材料表面防腐处理的工业化生产奠定良好的技术基础.硅烷偶联剂的水解工艺是其与金属基体产生化学键合形成具有耐蚀性硅烷膜的关键步骤，有必要对各种硅烷偶联剂的水解条件和水解后体系的稳定性作系统研究.基于此问题，以具有代表性的双－［γ－（三乙氧基硅）丙基］－四硫化物（BTSPS）硅烷偶联剂为研究对象，采用电导率测定法在线检测硅烷的水解程度，探讨其水解工艺及各参数对硅烷溶液稳定性的影响.这些基础性的研究工作将为BTSPS硅烷偶联剂在金属表面处理中的应用提供有益的实验数据.双－［γ－（三乙氧基硅）丙基］－四硫化物（BTSPS），工业纯95%（荆州市江汉精细化工有限公司），无水乙醇，冰醋酸，去离子水.电子天平，恒温磁力加热搅拌器，p HS－25型p H计（上海雷磁仪器厂），电导率仪.双－［γ－（三乙氧基硅）丙基］－四硫化物（简称BTSPS）是一种具有代表性的硅烷偶联剂，其结构式为：（CH 3 CH 2 O）3≡Si－（CH 2）3－S4－（CH 2）3－Si≡（OCH 2 CH 3）3，BTSPS的水解过程是一个可逆平衡反应［6］.即在水解的同时还存在硅羟基（≡Si－OH）的缩合，因此，有必要了解BTSPS的水解和缩合这两个竞争反应的情况.其水解反应为逐级解离的化学平衡体系，反应式如下：BTSPS在水解的同时，水解体系中还存在着烷氧基硅烷与醇、硅醇与硅氧烷的交换反应，并发生一定程度的缩合［7］.水解生成的硅醇易脱水缩合生成硅氧烷，其反应可表示如下：为保证硅醇的含量，要控制缩合反应的发生，必须选择合适的水解介质、溶质与溶液的配比，以及控制好p H和水解温度等条件.BTSPS易溶于乙醇、丙酮、苯、甲苯等多种溶剂，不易溶于水中.BTSPS在介质中是否充分水解是其在金属防腐应用的前提条件.根据硅烷的水溶性及水解反应的特点［8］，我们选择的水解介质为去离子水和醇混合溶液.当以醇为主体水解介质时，BTSPS可以溶解但水解程度较低，因为醇的存在会阻碍硅羟基（≡Si－OH）生成，而纯水介质又使BTSPS不能很好溶解，所以在一定p H条件下以一定比例的乙醇和去离子水混合溶剂为水解介质较为合适.混合溶剂中的水可为BTSPS的羟基化水解提供条件，而混合溶剂中的乙醇可减缓BTSPS的水解速度并能防止硅醇的大量交联聚合，保证了体系中能产生足够多的硅羟基（≡Si－OH），并使之能够保持较长的稳定时间，从而增强溶液体系的稳定性.硅烷水解程度检测是水解工艺中的较难控制的地方.常规分析测定方法由于取用量相对较大，容易破坏原溶液体系的电解平衡，不能对硅烷的水解程度进行有效检测.研究表明［9］：光谱法和电导率测定法能对硅醇生成过程进行在线检测，不会干扰和破坏原水解体系的各种组分的浓度.其中，电导率测定法所使用的设备简单，操作方便.由于使用的混合溶剂中乙醇在反应前后量没有发生改变，对水解溶液的电导率变化没有影响，因此BTSPS在水解过程中电导率会随水解产物硅醇和醇的增多而逐渐增大，反应达到平衡时电导率值也稳定在某一定的值，说明水解已达到平衡，此时硅醇的达到该水解条件下的最大量［10］.因此，采用电导率法在线检测硅烷的水解程度是较好的检测方法.（1）BTSPS浓度配比优化将硅烷偶联剂BTSPS、乙醇、去离子水按照体积比为 V（BTSPS）∶V（乙醇）∶V（去离子水）＝1∶10∶89；3∶10∶87；5∶10∶85；7∶10∶83的配比分别加入到4个200 m L的烧杯中，编为1－1，1－2，1－3，1－4号，制成含BTSPS体积分数为1%，3%，5%，7%的100 m L硅烷溶液.将混合溶液置于30℃的恒温磁力搅拌器上搅拌一段时间后，滴加冰醋酸和缓冲液少量调节p H＝6，继续搅拌溶液使之均匀，用电导率仪检测混合溶液电导率的变化情况，每2 h检测一次，考察硅烷／乙醇／去离子水的比例对水解的影响.（2）p H 条件优化将3%硅烷混合溶液制成4杯100 m L硅烷溶液.将溶液置于室温下的恒温磁力搅拌器上充分搅拌后，分别向滴加冰醋酸或氨水调节p H＝4.0，6.0，8.0，10.0，编为2－1，2－2，2－3，2－4号，搅拌均匀，长时间监测溶液电导率的变化，考察不同p H条件对水解稳定性的影响.（3）温度条件优化将3%配比的硅烷混合溶液控制在p H＝6的条件下，分4杯分别放在温度T＝20℃，30℃，40℃，50℃的恒温磁力加热搅拌器中继续搅拌，每6 h检测一次溶液电导率的变化，考察不同温度条件对水解稳定性的影响.图1的曲线为：BTSPS／乙醇／去离子水在不同配比条件下混合溶液电导率的变化曲线图.从图中可以知道，随着BTSPS浓度的增大，混合溶液体系的电导率逐渐增大.这是因为BTSPS的初始浓度大，其水解反应速率较大，电导率增大；从图中也可以看出，BTSPS水解的最大电导率时间逐渐缩短，溶液的稳定时间减少.溶液体系的稳定性涉及到水解与缩合2个竞争反应，很显然浓度较大的BTSPS溶液体系在水解到达平衡后，硅醇缩合反应速率开始增大，溶液的电导率逐渐降低，体系变得不稳定，直至水解与缩合重新达到新的平衡点.在实际金属表面防腐硅烷化前处理应用中，应采用稳定时间长的溶液.在该实验中，V（BTSPS）∶V（乙醇）∶V （去离子水）＝3∶10∶87的配比是相对较好的水解液比例.p H是影响硅烷水解和缩合反应的重要因素.表1列出了实验中浓度为3%的BTSPS在各水解体系中不同p H下溶液的稳定时间.由表可知，随着酸性的加强，电导率变化加剧，溶液的稳定时间缩短.p H＝6时溶液稳定的时间相对较长，此时体系中水解速率大于缩合速率.由此可知，溶液体系保持弱酸性有利于水解反应，较好地抑制缩合反应的发生，使体系中产生尽可能多的硅醇.图2的曲线为：BTSPS（3%）溶液在不同温度下的电导率.由图可知，随着温度的升高，溶液的电导率逐渐增大；BTSPS溶液在20℃，30℃，40℃的温度下6 h后都相对稳定，50℃下电导率有较大变化.在温度升高后，由于溶液体系长时间水解过程中不断挥发，体系中各组分的比例发生了变化，使得溶液中硅醇的缩聚反应速率增大，BTSPS硅烷溶液的稳定性降低.因此，水解温度不宜太高，温度应调控在20～40℃之间，以保证溶液水解反应的优势.（1）选用乙醇和去离子水的混合溶剂作为BTSPS的水解介质，当BTSPS的浓度逐渐增大，溶液的稳定性降低.在该实验中，BTSPS／乙醇／去离子水的最好水解配比为V（BTSPS）∶V（乙醇）∶V（去离子水）＝3∶10∶87，水解时间最好控制在12～24 h之间.（2）p H对水解的稳定性有很大的影响.BTSPS硅烷可在酸性条件下水解，p H＝6较为合适.（3）由于硅醇的缩合是吸热反应，降低温度有利于控制缩合反应的发生，并使溶液的水解的稳定时间增大，水解温度在20～40℃较为合适.【相关文献】［1］吴敏，吕柏林，梁平.镁及其合金表面处理现状［J］.表面技术，2005，34（5）：13－15. ［2］张津，章宗和.镁合金及应用［M］.北京：化学工业出版社，2004.［3］王雪明，李爱菊，李国丽，等.硅烷偶联剂在防腐涂层金属预处理中的应用研究［J］.材料科学与工程学报，2005，23（1）：146－150.［4］Wim J van Ooij，Fairfield，Ashok Sabata，et al.Metal sheet with enhanced corrosion resistance having a silane treated silicate coating：United States Patent，5108793［P］.1992.［5］ZHU D Q.E lectroch emical impedance sp ectroscopy of bis－［trirthoxysilyl－propyl］tetrasu l fide silane film on AA 20242T3［J］.Corros ion，2001，157 （5）：4132420. ［6］FRANQUET A，PEN Le C，TERRYN H.Effect of bath concentration and curing timeon the structure of non－functional thin organosilanelayers on aluminium［J］.Electrochim，Acta，2003，48：1245.［7］晨光化工研究院有机硅编写组.有机硅单体及聚合物［M］.北京：化学工业出版社，1986：124－140.［8］SUBRAMANIAN V，Wim Jvan Ooij.Silane based metalpretreatment as alternatives to chromating［J］.SrufaceEngineering，1999，15（2）：1–51.［9］徐溢，王楠，张小凤.直接用作金属表面新型防护涂层的硅烷偶联剂水解效果分析［J］.腐蚀与防护，2000，21（4）：157.［10］龚健民.金属表面硅烷膜的制备及耐蚀性研究［D］.合肥：合肥工业大学，2009.。
硅烷偶联剂水解原理
硅烷偶联剂水解原理硅烷偶联剂是一种常用的有机硅功能化合物，其主要作用是在多种材料的表面形成一层保护性的硅氧化物薄膜，从而改善材料的耐磨、耐高温、耐化学腐蚀等性能。
硅烷偶联剂水解是硅烷偶联剂发挥作用的关键步骤，本文将以硅烷偶联剂水解原理为标题，详细介绍硅烷偶联剂水解的过程和影响因素。
一、硅烷偶联剂的基本结构和分类硅烷偶联剂的分子结构通常由一个或多个硅氧键和一个有机基团组成。
根据有机基团的不同，硅烷偶联剂可以分为氨基硅烷、醇基硅烷、酯基硅烷等多种类型。
不同种类的硅烷偶联剂在水解过程中会产生不同的反应产物和效果。
二、硅烷偶联剂水解的化学反应硅烷偶联剂水解是指硅烷偶联剂分子中的硅氧键在水的作用下发生断裂，形成硅氧化物产物。
水解反应通常分为两个步骤：首先是硅氧键的断裂，生成硅羟基化合物，然后硅羟基再与水中的其他硅羟基或硅氧键发生缩合反应，形成硅氧化物薄膜。
三、硅烷偶联剂水解的影响因素1. pH值：pH值是硅烷偶联剂水解反应的重要因素。
在酸性条件下，硅烷偶联剂水解反应速度较慢，产物稳定性较好；而在碱性条件下，水解反应速度加快，产物稳定性降低。
2. 温度：温度对硅烷偶联剂水解反应的速率有显著影响。
一般来说，温度越高，水解反应速率越快。
3. 溶液浓度：硅烷偶联剂的浓度越高，水解反应速率越快。
4. 反应时间：反应时间的长短也会影响水解反应的程度。
在一定时间内，水解反应会逐渐达到平衡。
四、硅烷偶联剂水解的应用硅烷偶联剂水解后生成的硅氧化物薄膜具有很好的附着力和耐久性，广泛应用于涂料、橡胶、塑料、纤维素材料等领域。
它可以提高材料的表面润湿性、耐腐蚀性和耐磨性，增强材料的粘结性和耐久性。
总结：硅烷偶联剂水解是硅烷偶联剂发挥作用的关键步骤。
水解过程中，硅烷偶联剂分子中的硅氧键发生断裂，形成硅氧化物产物。
水解反应受pH值、温度、溶液浓度和反应时间等因素的影响。
水解后形成的硅氧化物薄膜具有良好的性能，被广泛应用于各个领域。
硅烷偶联剂水解的研究对于优化材料性能和提高材料的应用价值具有重要意义。
硅烷偶联剂生产工艺
硅烷偶联剂生产工艺硅烷偶联剂是一种重要的有机硅中间体，常用于改进聚合物与无机填料的相容性，提高聚合物的力学性能和热稳定性。
硅烷偶联剂的生产工艺主要包括以下几个步骤。
1. 原料准备：硅烷偶联剂的主要原料是乙烯基三氯硅烷和异丙基三氯硅烷。
这两种原料可以通过工业化合成或购买获得，并经过初步纯化处理。
2. 反应体系配置：将得到的乙烯基三氯硅烷和异丙基三氯硅烷按照一定的摩尔比例混合，在适当的温度下加入溶剂，配置成反应体系。
3. 加入催化剂：在反应体系中加入适量的催化剂，用于促进硅烷偶联剂的反应。
常用的催化剂有钾碳酸盐、锌碳酸盐等。
4. 反应反应：将配置好的反应体系放入反应釜中，在所需的反应温度下进行反应，反应时间一般为数小时到数天不等。
反应温度和时间的选择要根据具体的硅烷偶联剂进行调整。
5. 精馏分离：反应结束后，将反应体系进行精馏分离，将未反应的原料和副产物分离出去，得到纯净的硅烷偶联剂。
6. 过滤、干燥和包装：将精馏得到的硅烷偶联剂进行过滤，去除杂质，然后进行干燥处理，使其达到所需的水分含量。
最后进行包装，通常采用塑料罐或塑料桶进行包装。
在硅烷偶联剂的生产过程中，需要注意以下几个关键点。
1. 反应条件的选择：合理选择反应温度和时间，确保反应能够充分进行，并达到所需的反应产率和产物质量。
不同硅烷偶联剂的反应条件会有所差异，需要根据具体情况进行调整。
2. 催化剂的选择：催化剂的选择要考虑其活性和选择性，以及对环境的安全性。
常用的催化剂有一些无毒、无污染的碱金属盐类物质。
3. 副反应的控制：硅烷偶联剂的生产过程中常伴随着一些副反应，例如聚合物的发生和畸变等。
对于副反应的控制需要严格控制反应条件和催化剂的使用量，以减少副反应的发生。
以上就是硅烷偶联剂的生产工艺及关键点的简要介绍。
通过科学合理地控制生产工艺，可以获得高质量的硅烷偶联剂，并满足不同应用领域的需求。
硅烷偶联剂水解及对钛白粉的改性研究
硅烷偶联剂水解及对钛白粉的改性研究秦悦;易德莲;伍林;郑加英;潘琪【摘要】通过电导率对乙烯基三乙氧基硅烷偶联剂(A-151)的水解行为进行研究,考察了pH、水与A-151体积比和温度对硅烷水解行为的影响,利用A-151的水解特性,对经锆铝二元包覆后的钛白粉进行表面改性,并采用表面接触角测试仪、红外光谱和扫描电镜对有机改性后的二氧化钛进行表征.表面接触角测试显示改性后的二氧化钛制片表面润湿角达108.2°;改性后的粉体在波数为3 078 cm-1处出现了对应的烯烃C-H伸缩振动吸收峰;扫描电镜照片显示改性后的二氧化钛粒子的分散性得到了改善.【期刊名称】《无机盐工业》【年(卷),期】2014(046)002【总页数】4页(P34-37)【关键词】二氧化钛;硅烷偶联剂;水解;表面改性【作者】秦悦;易德莲;伍林;郑加英;潘琪【作者单位】武汉科技大学化工学院,湖北武汉430081;武汉科技大学化工学院,湖北武汉430081;武汉科技大学化工学院,湖北武汉430081;武汉科技大学化工学院,湖北武汉430081;武汉科技大学化工学院,湖北武汉430081【正文语种】中文【中图分类】TQ134.11TiO2作为一种性能卓越的白色颜料广泛地应用于涂料及其他化工行业。
高档颜料要求钛白粉在使用体系中具有良好的稳定性和分散性，因此使用前必须对钛白粉进行预处理。
对TiO2进行无机包覆改性可以提高其耐候性［1］；进行有机改性可降低TiO2的表面极性，提高粒子在有机体系中的润湿性和分散性，拓宽其在有机聚合物体系中的应用范围［2］。
近年来，国内外学者针对TiO2的具体实际应用做了大量的研究工作［3-5］。
为获得较好的TiO2改性产品，前人研究工作的重点集中于探索包覆过程的实验条件以及研究包覆机理，却缺乏对改性剂和改性物本身的具体认识。
偶联剂CH2=CH—Si（OC2H5）3（A-151）分子中含双键有机官能团，易与涂料中的有机树脂等有机物反应，实现与有机相较好的结合［6］。
硅氢加成反应合成硅烷偶联剂KH-560的研究的开题报告
硅氢加成反应合成硅烷偶联剂KH-560的研究的开题报告一、研究背景和意义硅烷偶联剂是一种广泛应用于各种高分子材料、无机材料和金属材料表面改性的化学品。
其中，KH-560是一种常用的硅烷偶联剂，具有很强的表面活性、极好的亲水性、优异的熔融流动性和化学稳定性等特点，可以有效提高材料的机械性能、耐温性能和耐化学腐蚀性能。
近年来，由于KH-560的市场需求量逐年增加，其合成工艺的优化和改进一直是研究人员关注的焦点。
硅氢加成反应合成KH-560是一种高效、绿色、经济的方法，相比传统的合成方法，具有原料易得、反应条件温和、反应过程不产生有害物质等优点。
因此，对硅氢加成反应合成KH-560进行深入研究，不仅对于提高KH-560的合成效率和产品质量具有实际意义，也具有推广应用该反应在合成其他有机硅化合物中的潜在价值。
二、研究内容1. 硅氢加成反应原理及机理研究。
2. 对反应体系的不同参数进行优化，包括反应温度、反应时间、反应物比例、催化剂种类和用量等。
3. 通过红外光谱、核磁共振谱等手段对反应产物进行表征，确定产物结构和纯度。
4. 建立反应产物的分子结构与合成条件之间的关系。
5. 系统评价硅氢加成反应合成KH-560的优劣，并与传统合成方法进行比较。
三、研究方案和进度安排1.研究方案的制定（2周）2.反应体系参数的优化（4周）3.反应产物的分离纯化和结构表征（6周）4.分子结构与合成条件之间的关系探索（4周）5.方案改进和修正（2周）6.论文撰写与提交（4周）四、预期成果和贡献预计通过优化硅氢加成反应体系、研究产物结构和纯度、探索反应条件与产物结构之间的关系，获得高纯度、高效率的KH-560产物，提高其合成效率和质量。
同时，对硅氢加成反应合成有机硅化合物的应用价值进行了深入的探讨，为有机硅化合物的合成、应用提供了新的思路和方法。
直接用作金属表面新型防护涂层的硅烷偶联剂水解效果分析
直接用作金属表面新型防护涂层的硅烷偶联剂 水解效果分析徐 溢 王 楠 张小凤* 金洋华X(重庆大学环境与化学化工学院 重庆400044)摘 要 研究了硅烷偶联剂直接在铁基材表面形成化学键合交联涂膜过程中的水解步骤,对影响形成硅醇的主要因素进行了讨论,提出并论证了用电导率测定方法可方便地在线监测和判断硅烷偶联剂水解程度和效果,同时采用F TIR光谱方法予以证实。
这对硅烷偶联剂直接用作金属表面防护涂层性能研究及新工艺条件优化具有重要的指导意义。
主题词 硅烷偶联剂 水解 电导率测定 F TI R光谱分析ANALYSIS OF SILANE HYDROLYSIS REACTION FOR NEW CORROSION RESIST ANT COAT ING ON MET ALLIC SURFACEXu Yi Wang Nan Zhang Xiaofeng J in Yanghua(Envir on.&Chem.Engin.College,Chongqing Univ.,Chongqing400044)Abstr act Hydr olysis pr ocess of silane coupling agents(SCA)which wer e directly applied for ir on surface cor rosion resistant tr eatment was studied.The factor s t hat affected t he formation of silanol in silane hydr olysis rea ction wer e discussed.Conductivity detection method was pr oposed for monit or ing and cer tification of silanol, and FT IR spectr oscopy met hod was applied to prove that.The results provided guidance for sutdy of SCA cor rosion r esistant coating on meta llic sur face and opt imization of r elative technique factor s.Keywords Silane coupling agent(SCA) Hydrolysis Conductivit y detection F TIR spectr oscopy1 引 言国外学者提出了利用硅烷偶联剂(Silane Coupling Agent,SCA)直接涂覆于金属表面,使之与金属底材形成化学键合结构来改变金属表面的性质,这对金属表面防腐蚀或与其它有机涂料的表面处理技术相比有着令人瞩目的独特的优越性;同时因其具备无污染、处理件耐蚀性好、与涂层结合牢固等特点,如果能实现工业化,将有望取代金属表面的磷化钝化处理[1,2]。
硅烷偶联剂水解工艺研究【开题报告】
毕业论文开题报告化学工程与工艺硅烷偶联剂水解工艺研究一、选题的背景和意义硅烷偶联剂是一种可以把两种不同性质的物质通过化学或物理作用结合起来的一种改善型助剂。
最早是20世纪40年代由美国联合碳化合物公司和道康宁公司首先开发的，最初是把它作为玻璃纤维的表面处理剂而应用在玻璃纤维增强塑料中[1]。
硅烷偶联剂是一类具有有机官能团的硅烷，在塑料、填充复合材料、环氧封装材料、弹性体、涂料、粘合剂和密封剂等方面有着广泛的应用。
使用硅烷偶联剂可以大大的改进上述材料的机械性能、电气性能、耐水性、难燃性、粘接性以及工艺操作等。
迄今为止，硅烷偶联剂已经成为材料工业必不可少的助剂之一，是有机硅工业四大下游分支之一。
硅烷偶联剂水解的程度直接影响硅醇与材料的作用结果，因为只有硅醇单体才能与材料形成稳定的结构，有资料证明：新配置的乙烯基三甲氧基硅烷水溶液中含有82%的单体，15%的二聚体和3%的三聚体，放置至出现沉淀，结果单体为34%，二聚体为23%，三聚体为30%以及13%的四聚体。
由此可知，随着硅醇缩聚成低聚合度的硅氧烷，含硅烷三醇的水解产物的溶解度降低。
出现浑浊意味着体系中硅烷完全缩合成硅氧烷高聚体，此时硅烷偶联剂失去了其应有的功能。
因此，有必要了解硅烷偶联剂的水解机理[2]。
二、国内外研究进展2.2.1硅烷偶联剂的偶合机理硅烷偶联剂能显著的提高复合材料的性能。
但迄今为止，没有一种理论能解释全部的事实。
常用的理论有机化学键理论、表面浸润、变性理论、拘束；理论等。
化学键理论认为硅烷含有的两种不同化学官能团，一端能与无机材料表面的羟基反应生成共价键；另一端能与数值生成共价键，从而使两种性质差别很大的材料偶联起来，起到提高复合材料性能的作用。
B.Arkles[3]对硅烷的作用过程提出了四步反应模型，该模型属于单分子层键合机理模型，即(1)与硅相连的3个Si-X基水解成Si-OH；(2)Si-OH之间脱水缩合成含Si-OH的低聚硅氧烷；(3)低聚物中的Si-OH与基材表面形成共价键连接。
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BI YE SHE JI（20 届）硅烷偶联剂水解工艺研究所在学院专业班级化学工程与工艺学生姓名学号指导教师职称完成日期年月摘要本文研究了二乙烯三胺基丙基二甲基硅烷和哌嗪基丙基甲基二甲氧基硅烷两种硅烷偶联剂的水解工艺，考察了反应温度和溶剂的配比对水解工艺的影响。
二乙烯三胺基丙基二甲基硅烷和哌嗪基丙基甲基二甲氧基硅烷偶联剂的水解最优工艺为：在40℃下配比为1:1:4。
关键词：硅烷偶联剂；乙醇；温度；电导率值ABSTRACTIn this paper, the hydrolysis process of two kinds of silane coupling agents which is diethyl enetriamine dimethyl amino propyl silane and piperazinyl propyl-methyl dimethoxy silane was studied. And t he factors of the hydrolysis process which are the reaction temperature and solvent proportion were studied. The optimum of . diethyl enetriamine dimethyl amino propyl silane and piperazinyl propyl-methyl dimethoxy silane was: the temperature is 40 ℃ and the ratio is 1:1:4.Keyword:Silane coupling agent; Ethanol; Temperature; Conductivity value目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 选题背景和意义 (1)1.2 国内外研究进展 (1)1.2.1硅烷偶联剂的偶合机理 (1)1.2.2硅烷偶联剂的选择 (2)1.2.3硅烷偶联剂的水解工艺及影响因素 (3)1.2.4硅烷偶联剂的检测方法 (4)1.2.5 硅烷偶联剂的应用及使用方法 (5)1.3试验方法及方案 (6)2 试验部分 (7)2.1 实验试剂和实验仪器 (7)2.1试剂和仪器 (7)2.2试验内容 (7)2.3水解程度检测方法的确定 (7)3 结果与讨论 (9)3.1水解温度的影响 (9)3.2水解配比的影响 (12)3.3不同偶联剂的影响 (13)4 结论与展望 (15)参考文献 (16)致谢 (17)1 绪论1.1 课题的背景和意义硅烷偶联剂是一种可以把两种不同性质的物质通过化学或物理作用结合起来的一种改善型助剂。
最早是20世纪40年代由美国联合碳化合物公司和道康宁公司首先开发的，最初是把它作为玻璃纤维的表面处理剂而应用在玻璃纤维增强塑料中[1]。
硅烷偶联剂是一类具有有机官能团的硅烷，在塑料、填充复合材料、环氧封装材料、弹性体、涂料、粘合剂和密封剂等方面有着广泛的应用。
使用硅烷偶联剂可以大大的改进上述材料的机械性能、电气性能、耐水性、难燃性、粘接性以及工艺操作等。
迄今为止，硅烷偶联剂已经成为材料工业必不可少的助剂之一，是有机硅工业四大下游分支之一。
硅烷偶联剂水解的程度直接影响硅醇与材料的作用结果，因为只有硅醇单体才能与材料形成稳定的结构，有资料证明：新配置的乙烯基三甲氧基硅烷水溶液中含有82%的单体，15%的二聚体和3%的三聚体，放置至出现沉淀，结果单体为34%，二聚体为23%，三聚体为30%以及13%的四聚体。
由此可知，随着硅醇缩聚成低聚合度的硅氧烷，含硅烷三醇的水解产物的溶解度降低。
出现浑浊意味着体系中硅烷完全缩合成硅氧烷高聚体，此时硅烷偶联剂失去了其应有的功能。
因此，有必要了解硅烷偶联剂的水解机理[2]。
1.2国内外研究进展1.2.1硅烷偶联剂的偶合机理硅烷偶联剂能显著的提高复合材料的性能。
但迄今为止，没有一种理论能解释全部的事实。
常用的理论有机化学键理论、表面浸润、变性理论、拘束；理论等。
化学键理论认为硅烷含有的两种不同化学官能团，一端能与无机材料表面的羟基反应生成共价键；另一端能与数值生成共价键，从而使两种性质差别很大的材料偶联起来，起到提高复合材料性能的作用。
B.Arkles[3]对硅烷的作用过程提出了四步反应模型，该模型属于单分子层键合机理模型，即(1)与硅相连的3个Si-X基水解成Si-OH；(2)Si-OH之间脱水缩合成含Si-OH的低聚硅氧烷；(3)低聚物中的Si-OH与基材表面形成共价键连接。
一般认为，在界面上SCA的硅羟基与基材表面只有一个键合，剩下两个Si-OH,或者与其他SCA中的Si-OH缩合，或者游离状态。
其反应过程如图1-1，图1-1 硅烷偶联剂化学键合理论模型硅烷偶联剂的一般结构式为Y-R-SiX3，其中X是结合在硅原子上水解性基团，如氨基甲氧基、乙酰氧基等，这些基团水解生成硅醇，而与无机物质结合形成硅氧烷；Y为有机官能团，如环氧基氨基等；R为非水解，可与高分子聚合物结合的有机官能团。
Y应与集合物具有较强的亲和力或反应能力，如烯基、氨基、环氧基等。
所以它发布在无机物与有机物界面上时，在相互没有亲和力而难以相溶的界面之间起着“乳化剂”的作用[4-7]。
由于界面现象非常复杂，因此单一的理论往往难以充分说明，对于硅烷偶联剂在假面的作用机理就有多种解释。
由于硅烷偶联剂在分子中具有两亲性质的化学集团，所以既能与无机物中的羟基反应，又能与有机物中的长分子链相互作用起到偶联的功效，其作用机理大致可分为三步：（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生成醚键；（3）Y基与有机物相结合。
当Y基团不同时，偶联剂所适合的聚合物种类也不同，Y基团；对有机聚合物具有反应选择性。
1.2.2 硅烷偶联剂的选择(1)硅烷偶联剂的结构对其选择的影响硅烷偶联剂中硅氧键的数目决定了与基材结合的机会，形成的网状覆盖膜的致密程度和对基材的防腐效果。
因此，硅烷对基材的粘结能力随分子中的可水解基团X的变化而变化。
不同的X基团对偶联效果没有影响，但对水解性能有影响，从而影响硅烷水解液的稳定性及对基材的处理效果;若X基团为卤素的硅烷，水解能产生对有腐蚀性的酸，如，HCl，HBr等，因而不适合采用；若X基团为酰氧基硅烷，则水解能产生起催化作用的弱酸，如：HAc，水解速度加快，使其稳定降低，不便使用；若X基团为烷氧基的硅烷其水解产生的醇为中性，比较稳定，可以采用。
烷氧基硅烷偶联剂中，Si-OR（R为烷基）键的水解活性，随着烷基中碳原子数的增加二下降[8-9]。
硅烷偶联剂中的Y基团的选择与所有的涂料的类型有关，应根据待用涂料的性质来选择相应硅烷。
且硅烷与有机聚合物作用的同时，聚合物本身也在进行化学反应。
如果硅烷与聚合物的反应速度过慢或聚合物自身的反应速度太快，即只有少量的硅烷参与聚合物的反应，就会影响偶联效果[6]。
一般情况下，硅烷偶联剂中活性基团的活性越大，与聚合物的反应机会越多偶联效果也越好。
硅烷偶联剂的选择还要考虑对硅烷溶液稳定性产生影响的因素，Si上的羟基越多，硅醇的稳定性越低。
在R确定后，硅醇的稳定顺序如下：R3Si(OH)＞R2Si(OH)2＞RSi(OH)3[8]。
在有机硅化学[10]中，取代基的位置对有机硅化合物的稳定性会产生不同程度的影响。
1.2.3硅烷偶联剂的水解工艺及影响因素硅烷偶联剂的反应时逐级解离的化学平衡体系，其化学方程式如下：酸与碱是上诉反应的催化剂。
如果在中性介质中，则硅烷偶联剂的水解速率比较慢。
一般情况下，酸催化剂比较容易实现。
(1)硅烷偶联剂水解PH值对其水解规律分析pH值在控制硅烷偶联剂水解和缩合方面有很大的作用。
一般情况下，PH值高，则反应向着水解方向进行，反之则反应向着缩合方向进行。
而在中性介质中，水解速率比较慢，最慢时的PH在4—5之间。
王斌等研究证明[2]：硅烷偶联剂KH-570与F8261水解稳定性的规律类同，都是随着PH值的增大而先增强后减弱。
当PH值在4—6之间，水解溶液至浑浊的时间最长。
PH值在1—3内硅烷偶联剂KH570水解至浑浊的时间小于12小时，而硅烷偶联剂F8261水解溶液至浑浊的时间更短，体系在6h内就变浑浊。
在碱性条件下，硅烷偶联剂KH-570和F8261水解10min和4min左右溶液变浑浊，此时缩合速度大于水解速度，也就是已经形成缩合产物。
因此上述两种硅烷偶联剂不适合在碱性条件下水解。
(2)硅烷偶联剂的水解溶剂硅烷偶联剂水解溶剂可分为三种：去离子水、醇、去离子水+醇。
如果单独用去离子水溶解硅烷偶联剂KH-570和F8261，则溶液会分为2层：一层为水相；一层为硅烷偶联剂KH-570与F8261混合相，因为两者不溶于水。
硅烷偶联剂KH-570水解12H后，溶液分层现象消失，但是水解效率会降低影响其应用；硅烷偶联剂F8261水解24h后则现象保持不变。
所以硅烷偶联剂KH-570与F8261均不能单独用去离子水区作为溶剂。
从硅烷偶联剂水解反应平衡来看也不能单独用醇去做溶剂。
众多文献资料证明了使用去离子水+醇混合溶剂作为硅烷偶联剂的水解溶剂为最佳[11]。
(3)硅烷偶联剂与溶剂配比及水解时间对其水解规律分析有资料文献证明[2]：当硅烷偶联剂KH-570：去离子水：醇=1：1：1时，随着硅烷偶联剂KH570水解时间的延长，体系的电导率也逐渐增大，当水解时间到达12h时，电导率达到最大，说明此时硅烷偶联剂已完全水解。
若再延长水解时间则电导率呈下降趋势，说明这个时候硅烷偶联剂水解生成的硅醇发生缩合，硅醇的数量减少。
当硅烷偶联剂KH-570：去离子水：醇=1：1：18时，水解在100h内未出现浑浊现象，说明在此配比下的硅烷偶联剂KH-570的水解稳定时间很长。
当硅烷偶联剂F8261：去离子水：醇=1：1：1时，水解5h后，电导率达到最大值，当延长水解时间，水解生成的硅醇发生缩合，电导率下降。
当硅烷偶联剂F8261：去离子水：醇=1：1：18时，体系稳定时间增长为21h。
硅烷偶联剂F8261的用量越低相应的至浑浊时间越长。
但硅烷偶联剂F8261的最佳稳定时间比KH-570短。
因此选用硅烷偶联剂F8261溶剂的配比为F8261：去离子水：醇=1：1：18，水解时间为5h，不能超过30h。
(4)温度对硅烷偶联剂水解的规律分析硅醇缩合是吸热反应，温度升高有利于缩合反应的进行。
所以温度也会对硅烷偶联剂的水解造成影响。
王雪明[12]在研究温度对硅烷偶联剂水解所造成的影响发现：硅烷偶联剂KBM-7103在含少量的醇溶液（1:1:3）体系下加热同时用HAc催化，水解速率加快。