长链硅烷偶联剂的合成和表征研究进展【文献综述】

毕业论文文献综述

化学工程与工艺

长链硅烷偶联剂的合成和表征研究进展

一、前言部分

纳米粒子，又称超细微粒子(ultra fine powders，简称UFP)，统指1-100nm的细微颗粒(结晶的或非结晶的)。纳米粒子既不同于微观原子、分子团簇，又不同于宏观体相材料，是一种介于宏观固体和分子间的亚稳中间态物质。当粒子尺寸进入纳米量级(1-100nm)时，由于纳米粒子的表面原子与体相总原子数之比随粒径尺寸的减少而急剧增大，使其显示出强烈的小尺寸效应或体积效应、表面效应等、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等，从而展现出许多奇特的性质。它断裂强度高、韧性好、耐高温、纳米复合时能提高材料的硬度、弹性模量等，并对热膨胀系数、热导率、抗热震性产生影响。在宇航技术、电子、冶金、化工、生物和医学等方面有广阔的应用前景[1,2]。

纳米SiO2具有粒径小（一般小于100nm）、比表面积大（一般大于100m2/g）等特征，从而以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性而在橡胶、涂料、医药、胶粘剂等领域中得到广泛的运用。大量的文献表明，SiO2等无机粒子和聚合物复合时，复合时无机粒子的粒径大小以及无机粒子与聚合物基体之间的相互作用是非常重要的。粒径越小，特别是当无机粒子的粒径降至纳米级时，复合物材料的性能的改进将发生本质性的提高。然而无机粒子的粒径越小，表面能越大，表面原子所占比例极高，特别是纳米颗粒表面原子是缺少临近配位原子,具有悬空键，众多的表面基团形成氢键、配位键和静电力、范德华力作用，极易发生颗粒之间、颗粒与聚合物之间的键联。因此纳米粒子与聚合物复合时，团聚现象十分严重，纳米粒子无法在聚合物材料中均匀分散，反而造成材料性能下降。为了提高纳米粒子的分散能力，需要对其表面进行改性。改性的目的为：（1）降低粒子表面能，如减少悬空键和表面活性基团；（2）消除表面电荷；（3）增加分散性能；（4）提高粒子与有机相亲和力[3]。

在常用的纳米SiO2改性剂中，硅烷偶联剂是一种增强无机材料与有机聚合物之间亲和力的有机化合物。通过硅烷偶联剂对纳米SiO2的物理化学处理，可以使其由亲水性表面变成亲油性，从而达到与有机聚合物之间的紧密结合，改进塑料复合材料的各种性能。它不仅能够提高塑料的力学性能，还可以改装其电气性能、耐热性、耐水性和耐候性等性能。因此，硅烷偶联剂已成为目前纳米SiO2改性的一种助剂，它的类型及用量对改性结果影响起着非常重要的作用。

二、主题部分

2.1纳米SiO2偶联剂表面覆盖改性

利用偶联剂分子与纳米填料表面进行某种化学反应的特性，将偶联剂均匀的覆盖在纳米SiO2粒子表面，从而赋予粒子表面以新性质。硅烷偶联剂的通式为RSiX3，式中R为有机基团，如乙烯基、环氧基、氨基、甲基丙烯酰氧基、巯基等，它能与树脂反应形成牢固的化学结合；X为能水解的有机基团，如甲氧基、乙氧基、氯等，其水解副产物在低温下可以挥发，X基团能与白炭黑表面的活性羟基缩合形成硅氧烷键[4, 5]。如：三甲基乙氧基硅烷(TMEO)、甲基三甲氧基硅烷(MTMO)、乙烯基乙氧硅烷(VEO)、四丁氧基硅烷、六甲基乙基硅氮烷(HME)、六甲基二硅氮烷(HMDZ)。

硅烷偶联剂是使用最广泛的一种纳米粒子改性剂。在使用硅烷偶联剂对纳米SiO2进行改性时，一般先使硅烷偶联剂充分水解，使Si-OR（R为CH3、C2H5等）基团水解为Si-OH基团，水解得到的Si-OH基团很容易与SiO2表面的硅羟基进行化学缩合，使SiO2表面带上有机基团，改善SiO2表面的亲油性，从而促进纳米SiO2粒子在有机相中的均匀、稳定分散。

梁淑敏[6]利用乙烯基三乙氧基硅烷，首先让其在95%的醇水溶液中充分水解，醋酸调pH值为4，将纳米SiO2粒子加入到水解液中，100℃下搅拌0.5h，然后蒸去溶液，得到改性纳米SiO2，红外光谱分析证明了乙烯基三乙氧基硅烷接枝到纳米SiO2粒子上，透射电镜（TEM）图证明经改性过的纳米SiO2与未改性的纳米SiO2相比，分散性得到改善，同时，纳米SiO2的粒径变小。张奕等[7]使用乙烯基三乙氧基硅烷（WD-21）对纳米SiO2进行改性，将经改性的纳米SiO2填充到不饱和聚酯中，TEM 证明，经WD=21改性的SiO2在不饱和聚酯中的分散性得到了改善，得到的复合树脂的拉伸强度、弯曲强度与玻璃化转化温度均比用未改性纳米SiO2填充的不饱和聚酯高。

Reddy C.S等[18]用乙烯三乙氧基硅烷对纳米SiO2进行改性，并将改性后的纳米SiO2与低密度高压聚乙烯，通过熔融共混的方法得到SiO2填充的聚乙烯复合材料。得到的复合材料中经乙烯基三乙氧基硅烷改性的纳米SiO2与聚乙烯的界面结合性增强，并能在聚乙烯中均匀分散。热稳定性，弹性模量和力学强度都得到提高。

Hussain. M，Nishijima.S等[9]通过溶胶－凝胶法制备了纳米SiO2/环氧树脂复合材料，溶胶－凝胶法制备纳米SiO2的过程中，加入乙二胺基丙基甲基二乙氧基硅烷进行原位改性。结果发现，复合材料中，改性SiO2的粒径要远小于未改性SiO2的粒径，并且用乙二胺基丙基甲基二乙氧基硅烷改性的纳米SiO2复合材料的力学强度与硬度均比未改性的高。

R．P．Winkler等[10]用KH560对纳米级硅溶胶进行改性，并研究了改性后的纳米级硅溶胶的ζ

电位的变化。发现改性后硅溶胶的ζ电位升高，纳米粒子之间的相互吸引力减弱，排斥力增加，纳米粒子在硅溶胶中的分散更均匀。Mascia. Leno等[11]通过溶胶－凝胶法，将KH550与正硅酸乙酯、乙醇、去离子水，在HCl催化下，制得KH550改性硅溶胶，得到的硅溶胶与环氧树脂一起共混得到SiO2/环氧树脂纳米复合材料，研究发现，环氧树脂必须先与巯基丙基三乙氧基硅烷或氨基丙基三乙氧硅烷进行改性处理，否则得到的复合材料中，SiO2的团聚现象仍然很严重，并且使用氨基丙基三乙氧基硅烷对环氧树脂进行改性，SiO2的分散性更佳，弹性模量以及抗溶剂渗透性更高。

庞金兴等[12]以KH570改性纳米Si02粒子，再通过与丙烯酸酯单体的共聚，合成了有机一无机纳米复合材料；并详细研究了表面改性前后纳米SiO2溶液的粒径及粒径分布，如表1-1所示。

表1-1 表面改性对纳米SiO2溶液的粒径和粒径分布的影响

表面改性前（团聚状态）表面改性后（单分散状态）粒径（nm）粒径分布(%) 粒径（nm）粒径分布(%)

5 20 10 15

10 50 15 20

15 30 20 25

从表1-1可看出，纳米Si02由于强亲水性及对介质pH值的敏感性，使其容易团聚或凝胶化；而经硅烷偶联剂表面改性后，其表面由强亲水性变成亲水亲油的“两亲”性，从而使纳米SiO2粒子能均匀分散，且粒径分布较窄。

陈国栋等[13]分别采用甲基三乙氧基硅烷（MTES），辛基三乙氧基硅烷（OTES），乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）与甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷对硅溶胶进行改性（MATMS），对比了不同偶联剂改性下，SiO2粒子的粒径大小，在丙烯酸树脂中的分散性等。研究表明，相比MTES和VTES这两种偶联剂，链长较长的OTES和MATMS改性的纳米SiO2，粒子表面可以形成较厚的分子包裹层，形成的SiO2的粒径也相对较大。未改性及改性SiO2均可以吸附聚丙烯酸树脂分子，并且VTES和MATMS等含有不饱和双键的偶联剂改性的SiO2对聚丙烯酸树脂的吸附性更强，相应的，在丙烯酸树脂中的分散性也比未改性和OTES、MTES改性的SiO2的好。

伍林等[14]采用干法改性工艺，以六甲基二硅胺烷(HMDS)为改性剂，氮气为保护气，对纳米二氧化硅表面进行改性，改性后的试样与有机溶剂的相溶性明显增强，疏水性良好，纳米二氧化硅的团聚现象得到很好的改善。欧阳兆辉等[15]研究了乙烯基三乙氧基硅烷偶联剂(A-151)改性纳米二氧化硅。对改性前后的纳米二氧化硅表面进行表征，表明该工艺能够实现纳米二氧化硅的表面改性，能够有效分散纳米二氧化硅聚集体，并研究和分析了改性纳米二氧化硅与未硫化增强胶的相容性。