在復合材料制備過程中，常需將親水性極性的無機填料分散到疏水性非極性的有機基料中，為了增加無機物與有機高分子之間的親合性，一般要用偶聯劑或其它表面活性劑等對無機物粉體進行表面處理，使它由親水變為疏水性，從而促進無機物和有機物之間的界面結合。偶聯劑與表面活性劑都是常見的粉體表面改性劑，它們都有兩親結構，兩者有何不同，下文一起來盤一下。

一、關于偶聯劑

偶聯劑是一類具有兩種不同性質官能團的物質，其分子結構的最大特點是分子中含有化學性質不同的兩個基團，一個是親無機物的基團，易與無機物表面起化學反應；另一個是親有機物的基團，能與合成樹脂或其他聚合物發生化學反應或生成氫鍵溶于其中。偶聯劑的功能定位是通過將無機和有機這兩種性能差異較大的材料界面進行偶聯，改善它們之間的黏附性能，從而顯著提升復合材料的整體性能，如物理性能、電性能、熱性能、光性能等。這種改善既是指真正粘接力的提高，也可能是指浸潤性、流變性和其他操作性能的改善；它還可能影響復合材料界面區域形態變化而改進力學性能，以增強有機相與無機相的邊界層。

偶聯劑對填料/塑料相容性的影響

A無偶聯劑 B有偶聯劑

偶聯劑種類。偶聯劑的種類繁多?主要有硅烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑、鋁酸酯偶聯劑、雙金屬偶聯劑、磷酸酯偶聯劑、硼酸酯偶聯劑、鉻絡合物及其它高級脂肪酸、醇、酯的偶聯劑等。目前應用范圍最廣的是硅烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑。選用偶聯劑的基本原則是，酸性填料應使用含堿性官能團的偶聯劑，而堿性填料應該用含酸性官能團的偶聯劑。

硅烷偶聯劑的結構及機理。硅烷偶聯劑的通式為RnSiX_(4-n)，式中R為非水解的、可與高分子聚合物結合的有機官能團，根據高分子聚合物的不同性質?R應與聚合物分子有較強的親和力或反應能力：如甲基、乙烯基、氨基、環氧基、巰基、丙烯酰氧丙基等；X為可水解基團，遇水溶液、空氣中的水分或無機物表面吸附的水分均可引起分解，與無機物表面有較好的反應性，典型的X基團有烷氧基、芳氧基、酰基、氯基等。

硅烷偶聯劑由于在分子中具有這兩類化學基團，因此既能與無機物中的羥基反應，又能與有機物中的長分子鏈相互作用起到偶聯的功效，其作用機理大致分以下3步：①X基水解為羥基；②羥基與無機物表面存在的羥基生成氫鍵或脫水成醚鍵③R基與有機物相結合。

鈦酸酯偶聯劑的結構和機理。鈦酸酯偶聯劑的分子結構通式為(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、氨基和環氧基等雙鍵基團。鈦酸酯偶聯劑按其化學結構可分為4類：單烷氧基脂肪酸型、磷酸酯型、螯合型和配位體型。

鈦酸酯偶聯劑的作用功能區域

功能區1，即（RO）m，為無機粉末與偶聯劑中的鈦直接進行化學結合；功能區2，即（O……），具有酯轉移和交聯功能；功能區3，即OX，為連接鈦中心的基團；功能區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5，即Y，為熱固性聚合物進行交聯的反應基；功能區6，即n，它代表鈦酸酯的官能度，n為1~3。

硅烷類偶聯劑是人們研究最早、應用最早的偶聯劑。人們最初使用硅烷偶聯劑是為了讓玻璃纖維增強的樹脂基復合材料（玻璃鋼）制品性能改進，為適應這一應用需要發展起來的一類新型的具碳官能團的有機硅化合物--有機硅烷偶聯劑。

玻璃鋼制品具有耐腐蝕性、重量輕、增強效果優越等特點，被廣泛用于制造游艇船體、甲板等 圖片來源：Haines Signature Boats

偶聯劑的三大應用領域。其一是作非交聯聚合物體系的交聯固化劑，使其實現常溫常壓固化；其二是材料表面改性劑，賦予防靜電、防霉、防臭、抗凝血及生理惰性等性能；其三是異種基體間的彈性橋聯劑，即改善兩種不同化學性能材料之間的粘接性，達到提高制品的機械、電絕緣、抗老化及憎水等綜合性能的目的。

具體應用場景如下：

①用作表面處理劑，以改善填料和樹脂的相容性、浸潤性和分散性；

②用于無機填料填充塑料時，改善其分散性和黏合性；

③提高膠黏劑和涂料濕態下的黏合力、耐候性，改善顏料的分散性提高耐磨性和樹脂的交聯；

④用于氟橡膠與金屬的黏合密封，具有耐水、耐高溫、耐氣候等性能；

⑤用于紡織工業，令紡織品柔軟豐滿，提高其防水性以及對染料的黏合力；

⑥用作難粘材料聚烯烴（如PE、PP）和特種橡膠（如硅膠、EPR、CR、氟橡膠）的黏合促進劑；

⑦提高橡膠制品的機械強度、耐磨性、濕態電氣性能和流變性；

⑧提高復合材料濕態物理機械強度、濕態電氣性能，并改善玻璃纖維的集束性、保護性和加工工藝。

粉體改性原理--局部化學反應改性。偶聯劑是一種具有兩性結構的物質，其分子的一端是能與無機超細粒子進行反應，形成強有力化學鍵的極性基團，另一端的非極性基團能夠與有機物發生反應或物理纏結，從而將兩種不同性質的材料結合起來，在無機填料和有機物之間形成特殊的“架橋”作用。硅烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑是普遍使用的兩大類偶聯劑。

偶聯劑通過特定的化學反應生成共價鍵或離子鍵使其能在無機材料和有機材料之間形成穩定的界面連接，從而增強復合材料的機械性能、耐候性和化學穩定性。在膠粘劑、涂料、粘接技術等領域，偶聯劑可通過特定的化學反應提高材料之間的附著力和耐久性。

二、關于表面活性劑

表面活性劑是這樣的一種物質，它能吸附在表（界）面上，在加量很少時即可顯著改善表（界）面的物理化學性質；在濃度足夠大時，能形成分子有序組合體；從而產生一系列應用功能。表面活性劑所具有的潤濕和反潤濕，乳化和破乳，分散和凝聚，起泡和消泡以及增溶等一系列作用稱為表面活性。

表面活性劑的兩個基本的功能及衍生功能。第一個是在表（界）面上吸附，形成吸附膜（一般是單分子膜）；第二個是在溶液內部聚集，形成多種類型的分子有序組合體。從這兩個功能出發，衍生出表面活性劑的其他多種功能，詳見下圖。

表面活性劑各種各樣的功能

表面活性劑分子的基本結構。表面活性劑一種具有兩親性結構的化合物：一端為親水基團，另一端為疏水基團（親油基團）。親水基部分的基團種類繁多，差別較大，一般有帶電的離子基團和不帶電的極性基團之分；疏水基團（親油基團）通常是碳氫鏈組成的（但也可能包括硅氧烷基團、氟碳鏈或其他非極性基團）碳原子一般在8-20之間。表面活性劑分子中主要親水基和親油基可見下圖。

表面活性劑種類。表面活性劑品種繁多，表面活性劑的分類方法也多種多樣，可依據親水基種類、分子量大小、來源和元素組成以及功能、作用等原則進行分類。常見分類方式是根據親水基團水解后的電荷性質對表面活性劑分類，具體可分為陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性離子型表面活性劑、非離子型表面活性劑。

按表面活性劑親水基團水解后的電荷性質分類

粉體改性原理--表面包覆改性。表面包覆改性與化學改性方法不同，包覆改性的表面改性劑與粒子表面無化學反應，包覆物與粒子間依靠物理方法或范德華力而連接，該方法幾乎適用于各類無機粒子的表面改性。此方法主要利用無機化合物或有機化合物對粒子進行表面包覆，減弱粒子的團聚作用，而且由于包覆物而產生了空間位阻斥力，使粒子再團聚十分困難。用于包覆改性的改性劑有表面活性劑、超分散劑、無機物等。表面活性劑具有兩親特性，親水基吸附在無機粒子的表面，疏水段包裹在粒子表面形成一層有機膜，從而增加粒子與有機物的相容性。

三、總結

偶聯劑獨特的兩親結構使其兼具表面活性劑的物理潤濕、分散功能，以及通過化學鍵合帶來的強且持久界面結合特性，其主要功能定位是通過化學反應增強不同材料之間的粘附力，尤其在復合材料中用于增強填料與基體之間的結合力。相比之下，表面活性劑的功能定位則主要集中在通過物理吸附的方式降低界面張力、改善基體與分散體的接觸性。

參考資料：

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[5]郭云亮，張涑戎，李立平.偶聯劑的種類和特點及應用[J].橡膠工業，2003，(11)：692-696.

編輯整理：粉體圈Alpha