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硅烷可用于金屬底漆、結合生物材料、固定催化劑、提供交聯以及改善聚合物和顆粒分散性。它們還可以增強粘合劑的粘合力，增加電氣性能，最大限度地提高復合材料強度，并提高機械性能。

一、什么是硅烷偶聯劑？

硅烷偶聯劑可以在有機和無機材料之間形成持久的粘接。硅烷偶聯劑的一般式通常顯示兩類官能團：可水解基團X和有機官能團R。

X是可水解基團，通常是烷氧基、酰氧基、鹵素或胺。水解后，形成反應性硅醇基團，該基團可以與其他硅醇基團（例如硅質填料表面的硅醇基團）縮合，形成硅氧烷鍵。鋁、鋯、錫、鈦、鎳等其他氧化物也形成穩定的縮合產物。與硼、鐵和碳的氧化物形成不太穩定的鍵。堿金屬氧化物和碳酸鹽不能與Si-O-形成穩定的鍵。R基團是一種不可水解的有機自由基，可能具有賦予所需特性的功能。

有機硅烷與基材反應的最終結果包括改變基材的潤濕性或粘附特性，利用基材催化非均相界面的化學轉化，對界面區域進行排序，并改變其分配特性。值得注意的是，它包括影響有機和無機材料之間共價鍵的能力。

二、硅烷偶聯劑是如何工作的？

大多數廣泛使用的有機硅烷具有一種有機取代基和三種可水解取代基。在絕大多數表面處理應用中，三烷氧基硅烷的烷氧基被水解形成含硅醇的物質。這些硅烷的反應包括四個步驟。

雖然是按順序描述的，但這些反應可以在初始水解步驟后同時發生。在界面處，有機硅烷的每個硅到襯底表面通常只有一個鍵。剩下的兩個硅醇基團以縮合或游離形式存在。R基團仍可用于共價反應或與其他相的物理相互作用。硅烷可以在無水條件下改性表面，符合單層和氣相沉積要求。在高溫（50°C-120°C）下，典型的反應時間延長（4-12小時）。在烷氧基硅烷中，只有甲氧基硅烷在沒有催化作用的情況下對氣相沉積有效。氣相沉積有效的硅烷是環氮雜硅烷。

水解注意事項

水解用水可能來自多種來源。它可以被添加，它可能存在于基材表面，或者它可能來自大氣。硅烷的聚合度由可用水的量和有機取代基決定。如果將硅烷添加到水中且溶解度低，則有利于高度聚合。多重有機取代，特別是當涉及苯基或叔丁基時，有利于形成穩定的單體硅醇。

聚硅氧烷層的厚度也由硅氧烷溶液的濃度決定。雖然通常需要單層吸附，但多層吸附是由通常使用的溶液產生的。據計算，從0.25%的硅烷溶液沉積到玻璃上可以產生三到八個分子層。這些多層層可以通過松散的網絡結構相互連接，也可以混合在一起，或者兩者兼而有之，事實上，它們是由大多數沉積技術形成的。官能團在基材表面的取向通常是水平的，但不一定是平面的。

與表面形成共價鍵具有一定的可逆性。當水被去除時，通常通過加熱到120°C30-90分鐘或排空2-6小時，鍵可能會形成，斷裂和重組以緩解內應力。相同的機制可以允許接口組件的位置位移。

三、如何使用硅烷偶聯劑？

1.水性酒精沉淀

從酒精水溶液中沉積是制備硅烷化表面的方法之一。用乙酸將95%乙醇-5%水溶液調節至pH 4.5-5.5。在攪拌下加入硅烷，產生2%的最終濃度。應留出五分鐘進行水解和硅醇形成。將大物體（例如玻璃板）浸入溶液中，輕輕攪拌，并在 1-2 分鐘后取出。通過短暫浸入乙醇中來沖洗掉多余的材料。顆粒（例如填充物和載體）通過在溶液中攪拌 2-3 分鐘然后傾析溶液來硅烷化。通常用乙醇短暫沖洗顆粒兩次。硅烷層在110°C下固化5-10分鐘，或在室溫（<60%相對濕度）下固化24小時。

2.從水溶液中沉淀

大多數商業玻璃纖維系統都采用水溶液沉積。烷氧基硅烷以0.5-2.0%的濃度溶于水。對于溶解度較低的硅烷，在硅烷之前加入0.1%的非離子表面活性劑，并制備乳液。用乙酸將溶液調節至pH 5.5。將溶液噴灑到基材上或用作浸漬浴。在110-120°C下固化20-30分鐘。對于簡單的烷基硅烷，硅烷水溶液的穩定性在2-12小時之間變化。溶解度參數差限制了該方法對長鏈烷基和芳香族硅烷的使用。蒸餾水不是必需的，但必須避免使用含有氟離子的水。

3.散裝沉淀到粉末上

在粉末上的大量沉積，例如填料處理，通常通過噴涂方法完成。它假設所需的硅烷總量是已知的，并且填料上存在足夠的吸附水分以引起硅烷的水解。硅烷被制備為25%的酒精溶液。粉末被放置在高強度固體混合器中，例如帶增壓器的雙錐混合器。如果填料在托盤中干燥，則必須注意通過調節熱量和氣流來避免處理材料頂層的芯吸或結皮。

4.積分混合方法

整體混合方法用于復合配方。在這種方法中，硅烷用作簡單的添加劑。復合材料可以通過在復合之前將烷氧基硅烷添加到聚合物和填料的干共混物中來制備。通常，通過將醇載體中的硅烷噴灑到預混料上來分散0.2-1.0重量百分比的硅烷（總混合物）。在這種技術中，將硅烷添加到非分散填料中是不可取的，因為它會導致團聚。將混合物短暫干混，然后熔融復合。在熔體復合過程中，對硅烷反應的副產物進行真空去揮發對于實現最佳性能是必要的。有時通過在分散前向硅烷中加入0.5-1.0%的鈦酸四丁酯或芐基二甲胺來增強性能。

5.無水液相沉積

氯硅烷、甲氧基硅烷、氨基硅烷和環氮雜硅烷的無水液相沉積是小顆粒和納米特征基板的一個選擇。制備含有5%硅烷的甲苯、四氫呋喃或烴類溶液。將混合物與待處理的基材一起回流12-24小時。用溶劑洗滌。然后通過空氣或防爆烘箱干燥除去溶劑。無需進一步治愈。該反應涉及表面硅醇對硅烷氯的直接親核置換。如果需要單層沉積，則應在150°C下預干燥4小時。如果基板上存在吸附水，則會導致大量沉積。這種方法對于大規模制備來說很麻煩，必須建立嚴格的控制以確保結果的可重復性。使用一氯硅烷可獲得更可重復的覆蓋率。

6.氯硅烷

氯硅烷也可以從酒精溶液中沉積。無水醇，特別是乙醇或異丙醇，是好的選擇。將氯硅烷加入醇中，得到2-5%的溶液。氯硅烷與醇反應產生烷氧基硅烷和鹽酸——應使用適當的通風。通過停止 HCl 逸出來觀察反應的進展。溶液的溫和升溫（30-40°C）促進反應的完成。部分 HCl 與酒精反應生成少量烷基鹵化物和水。水導致烷氧基硅烷形成硅醇。硅醇凝結在基材上。將處理過的基材在110°C下固化5-10分鐘或在室溫下靜置24小時。

7.氣相沉積硅烷

氣相沉積硅烷可以通過化學氣相沉積方法在干燥、非質子條件下應用于基材。這些方法有利于單層沉積。雖然在適當的條件下，幾乎所有的硅烷都可以以氣相應用于基材，但那些在100°C時蒸氣壓>5托的硅烷已經實現了最多的商業應用。在密閉腔室設計中，基板支撐在硅烷儲罐上方或附近，并將儲罐加熱到足夠的溫度以達到 5 mm 蒸氣壓。或者，可以施加真空，直到觀察到硅烷蒸發。在另一種變化中，硅烷可以制備為甲苯溶液并回流，允許足夠的硅烷通過分壓貢獻進入氣相。一般情況下，底物溫度應保持在50°C至120°C之間，以促進反應。環狀氮雜硅烷沉積速度最快，通常不到 5 分鐘。胺官能團硅烷通常在沒有催化劑的情況下快速沉積（30分鐘內）。其他硅烷的反應需要延長反應時間，通常為4-24小時。可以通過添加催化量的胺來促進反應。

8.旋裝

旋裝應用是在有利于最大功能化和多層沉積的水解條件下實現的，或者是在有利于單層沉積的干燥條件下實現的。對于水解沉積，制備2-5%的溶液（參見水性酒精沉積）。旋轉速度較低，通常為 500 rpm。旋轉沉積后，需要保持 3-15 分鐘，然后再用溶劑沖洗。干法沉積采用溶劑溶液，如甲氧基丙醇或乙二醇單乙酸酯（EGMA）;非質子系統使用甲苯或四氫呋喃。硅烷溶液在氮氣吹掃下以低速施加。如果嚴格的單層沉積，則應將基板加熱至50°C。 在一些協議中，通過在相對濕度為55%的大氣環境下旋轉來誘導有限的多層形成。

9.噴涂應用

噴霧應用配方因最終用途而異。它們涉及建筑和砌體應用中使用的酒精溶液和連續水解的水溶液。通過文丘里管（吸氣器）將含有酸催化劑（如乙酸）的硅烷混合物送入水流中，會影響連續水解。穩定的水溶液（參見水性硅烷）、穩定性有限的硅烷混合物（4-8 小時）和乳液用于紡織和玻璃纖維應用。與聚醋酸乙烯酯或聚酯的復雜混合物作為施膠配方進入后一種應用。