粉體表面改性（也稱表面改質(zhì)或表面修飾）是指采用物理或化學方法對粉體的組成顆粒進行表面處理，根據(jù)應用的需要有目的地改變其表面物理化學性質(zhì)、表面形態(tài)與結(jié)構(gòu)的工藝，是調(diào)控材料性能、拓展應用領(lǐng)域和提高使用價值的重要方法。

圖1陶瓷顆粒+硅樹脂→導熱界面材料

依靠表面改性劑（或處理劑、包覆劑）在粉體顆粒表面的吸附、反應、包覆或包膜來實現(xiàn)的粉體的表面改性是一種主要的表面改性手段。表面改性劑種類很多，常用的改性劑有偶聯(lián)劑、表面活性劑、有機低聚物、不飽和有機酸、有機硅、水溶性高分子、超分散劑以及金屬氧化物及其鹽等。本文小編將整理一下表面改性劑里面的偶聯(lián)劑。

偶聯(lián)劑分子結(jié)構(gòu)的最大特點是分子中含有化學性質(zhì)不同的兩個基團，一個是親無機物的基團，易與無機物表面起化學反應（無機粉體）；另一個是親有機物的基團（聚合物基體），能與合成樹脂或其它聚合物發(fā)生化學反應或生成氫鍵溶于其中。因此偶聯(lián)劑被稱作“分子橋”，用以改善無機物與有機物之間的界面作用，從而大大提高復合材料的性能，如物理性能、電性能、熱性能、光性能等。

偶聯(lián)劑按其化學結(jié)構(gòu)可分為硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑、鋯鋁酸鹽偶聯(lián)劑等。

圖2偶聯(lián)劑工作原理：在無機與有機界面形成鍵合，促進界面融合，增強性能

1、硅烷偶聯(lián)劑

硅烷偶聯(lián)劑是人們研究最早、應用最早的偶聯(lián)劑。由于其獨特的性能及新產(chǎn)品的不斷問世，使其應用領(lǐng)域逐漸擴大，已成為有機硅工業(yè)的重要分支。

硅烷偶聯(lián)劑的通式為RnSiX(4-n)，式中X代表能夠水解的基團，如鹵素、酰氧基和烷氧基等；R為非水解的，與聚合物分子有親和力或反應能力的活性官能團，如氧基、巰基、乙烯基、環(huán)氧基、酰胺基、氨丙基等。

硅烷偶聯(lián)劑對不同種類的無機粉體適應性較強，其中對表面主要含Si-O或Si-OH成分的石英、玻璃纖維、白炭黑等改性效果最好，對表面羥基豐富的高嶺土、水合氧化鋁、氫氧化鎂等效果也較好。

硅烷偶聯(lián)劑對與其作用的有機聚合物一般具有選擇性，如果硅烷和聚合物二者在結(jié)構(gòu)和組分等特性方面相互匹配，則相互作用強；否則相互作用弱，改性粉體就不能取得理想的應用效果。在使用硅烷偶聯(lián)劑時，為獲得較佳的效果，需對每一個特定的應用場合進行試驗預選。

表1硅烷偶聯(lián)劑的主要品種及使用體系

2、鈦酸酯偶聯(lián)劑

鈦酸酯偶聯(lián)劑的分子結(jié)構(gòu)通式為(RO)m—Ti—(OX—R'—Y)，式中，R和R′分別代表短碳鏈烷烴基和長碳鏈烷烴基，X代表C、N、P、S等元素，Y代表羥基、氨基和環(huán)氧基等雙鍵基團。

圖3鈦酸酯偶聯(lián)劑的作用功能區(qū)域

在鈦酸酯的分子結(jié)構(gòu)中，各元素和基團均具有自己的功能作用。從結(jié)構(gòu)特征上看，鈦酸酯偶聯(lián)劑具有以下6種功能：

功能區(qū)1，即（RO）m，為無機粉末與偶聯(lián)劑中的鈦直接進行化學結(jié)合；

功能區(qū)2，即（O……），具有酯轉(zhuǎn)移和交聯(lián)功能；

功能區(qū)3，即OX，為連接鈦中心的基團；

功能區(qū)4，即R，為熱塑性聚合物的長鏈纏繞基團，鈦酸酯分子中的有機骨架；功能區(qū)5，即Y，為熱固性聚合物進行交聯(lián)的反應基；

功能區(qū)6，即n，它代表鈦酸酯的官能度，n為1~3

鈦酸酯偶聯(lián)劑是一種弱酸性的偶聯(lián)劑，包括單烷氧基型、焦磷酸異辛酯型、配位型及新烷基型鈦酸酯等。其可作為聚烯烴類樹脂和合成橡膠等高分子材料的無機填充助劑。

①單烷氧基型

這類偶聯(lián)劑能在無機粉末和基體樹脂的界面上產(chǎn)生化學結(jié)合，但它含異丙氧基，耐水性差，只適用于含化學鍵態(tài)及物理鍵態(tài)水的干燥填充劑體系。代表品種：KR-TTS。

圖4單烷氧基三羧酸鈦偶聯(lián)劑與無機顆粒的作用機理

②單烷基焦磷酸酯型

該類鈦酸酯耐水性好，適用于中等含水量的填充劑體系，如顏料、滑石粉等表面

處理，在這些體系中，除單烷氧基與填充劑表面的羥基發(fā)生水解形成偶聯(lián)外，焦磷酸酯基還可以分解形成磷酸酯基，再結(jié)合一部分水。

③配位型

配位型鈦酸酯偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)通式為(RO)?—Ti—(OX—R—Y)?，由該結(jié)構(gòu)式可見，鈦原子由4價鍵轉(zhuǎn)變?yōu)?價鍵，這無疑會降低鈦酸酯的反應活性，提高耐水性，因此，它適用于多種無機粉體填料和含水聚合物體系，并可避免4價鈦酸酯在樹脂等體系中的副反應。

④螫合型

螯合型鈦酸酯是指其結(jié)構(gòu)中(RO)m為螯合劑的鈦酸酯偶聯(lián)劑，根據(jù)美國Kenrich公司的系統(tǒng)分類，螯合型鈦酸酯分為螯合100型和螯合200型兩種。

螯合型鈦酸酯具有良好的耐腐蝕、阻燃、黏結(jié)性和耐水性，適用改性處理含濕量較大的無機粉體。它既可溶解在甲苯、二甲苯等溶劑中，也可用烷醇胺或胺類試劑季胺鹽化后溶解在水中使用。

總結(jié)：

根據(jù)填料等填充劑的水分、粒度、各類鈦酸酯的特性以及樹脂聚合物的特性決定具體的鈦酸酯品種。通常來說，干燥的填充劑多選用單烷氧基型，潮濕的填充劑可選擇單烷氧基焦磷異辛酯型、配位型或新烷基型，單烷氧基型是合成其他類型鈦酸酯的合成原料，主要由相應的醇與四氯化鈦直接反應而成。

一般鈦酸酯偶聯(lián)劑的用量為改性粉體量的0.1%~3.0%。顆粒的粒度越細，粉體比表面積越大，偶聯(lián)劑的用量就越大，通常可用黏度法探索合適的鈦酸酯偶聯(lián)劑用。量。用鈦酸酯偶聯(lián)劑活化的無機填料改性熱塑性聚合物，不僅成型溫度低和成型時間短，還能改進制品沖擊強度和力學性能。顏料和涂料經(jīng)鈦酸酯偶聯(lián)劑活化處理后分散性提高，可使制品色澤鮮艷、表面光滑。

3、鋁酸酯偶聯(lián)劑

鋁酸酯偶聯(lián)劑在改善制品的物理性能，如提高沖擊強度和熱變形溫度方面可與鈦酸酯偶聯(lián)劑相媲美；其成本較低，價格僅為鈦酸酯偶聯(lián)劑的一半，且具有色淺、無毒、使用方便等特點，熱穩(wěn)定性能優(yōu)于鈦酸酯偶聯(lián)劑。

圖4鋁酸酯偶聯(lián)劑與無機粉體表面的作用

圖5鋁酸酯類偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)通式

鋁酸酯偶聯(lián)劑常溫下為白色固體或淺色液體，可采用預處理法或直接加入法對粉體進行改性。改性時，將粉體加熱至110℃左右，然后加入捏碎后的鋁酸酯偶聯(lián)劑，用高速加熱混合機或其他表面改性設備進行表面化學包覆改性。鋁酸酯偶聯(lián)劑的用量一般為粉體質(zhì)量的0.3%～1.0%。如果改性粉體作為注射或擠出成型的塑料硬制品的填料，則其用量為填料質(zhì)量的1.0%左右。其他工藝成型的制品、軟制品及發(fā)泡制品，用量為填料質(zhì)量的0.3%～0.5%。

其他偶聯(lián)劑

1、鋁-鋯有機金屬絡合物偶聯(lián)劑：由美國Cavedon化學公司于20世紀80年代初開發(fā)。由于在鋁-鋯有機金屬絡合物偶聯(lián)劑分子結(jié)構(gòu)中含2個無機部分(鋯和鋁)和1個有機功能配位體，故其突出的特點在于:分子中無機特性部分的比例大，一般介于57.7%~75.4%，具有更多的無機反應點，可增強與無機填料或顏料表面的作用。

2、有機鉻偶聯(lián)劑：由不飽和有機酸與鉻原子形成的配價型金屬絡合物組成，為絡合物偶聯(lián)劑。它在玻璃纖維增強塑料中偶聯(lián)效果較好，且成本較低。但其品種單調(diào)，使用范圍及偶聯(lián)效果均不及硅烷及鈦酸酯偶聯(lián)劑。

3、稀土偶聯(lián)劑：稀土元素具有特殊的價電子結(jié)構(gòu)和獨特的物理化學特性。稀土化合物在改進塑料加工、使用性能及賦予其新功能等方面具有獨特而顯著的功效。有研究采用國產(chǎn)新型稀土表面處理劑處理CaCO3，應用于PVC體系，大大提高CaCO3在PVC中的相容性和分散性，體系的力學性能、加工性能得到了明顯的改善和提高。

參考資料

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