表面改性是無機粉體在高分子材料中應用的關鍵加工技術之一，主要是利用物理、化學等方法對粉體表面進行處理，根據應用的需要有目的的改變粉體表面的物理化學性質或賦予其新的功能，從而拓寬材料的應用范圍。一般來說，粉體的表面改性效果在很大程度上依賴于表面改性劑在粉體表面的作用，而硅烷偶聯劑作為一類具有特殊結構的化合物，改善無機材料與有機材料之間的相容性和結合力方面得到了廣泛應用。然而，市場上的硅烷偶聯劑五花八門，如何選擇最適合特定應用的改性劑成為了一個關鍵問題。

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硅烷偶聯劑作用原理

硅烷偶聯劑通常具有以下通式：Y－Ｒ－Si－X₃其中，Y是有機官能團，可以是環氧基、氨基、乙烯基等；Si 是硅原子；R是亞烷基；X為可水解基團，如烷氧基、酰氧基等。可水解基團在水中可水解生成硅羥基（-Si-OH），進而與無機材料表面的羥基發生縮合反應，形成穩定的硅氧烷鍵（Si-O-Si）。而有機官能團則留在無機材料表面，賦予無機材料表面新的特性，提升與有機材料的相容性。

硅烷偶聯劑原理

硅烷偶聯劑如何選擇應用？

從作用原理可知，硅烷偶聯劑的水解速度取于可水解基團X，而與有機高分子材料的反應活性則取于有機官能團Y。下面就探討一下從這兩類官能團出發，看看如何選擇硅烷偶聯劑。

1、可水解基團選擇策略

①可水解基團的水解速度與其自身基團大小有關：在相同的水解條件下，大基團的可水解基水解速率慢。以乙氧基或是甲氧基為例，在相同的水解條件下，三甲氧基硅烷的水解速率要比三乙氧基硅烷的快。

②多水解官能團提升水解穩定性：對于要求高度耐水性的應用場合，若傳統硅烷偶聯劑形成的化學鍵水解穩定性不足，可考慮使用雙官能團或多官能團的硅烷偶聯劑，這些硅烷能形成緊密的網狀結構，顯著提高材料的耐水性和整體性能。

PS：需要注意的是，無機材料的表面性質也會影響硅烷偶聯劑的應用效果。例如，羥基作為硅烷偶聯劑與無機材料表面發生反應的主要活性位點，羥基濃度越高，反應越充分，偶聯效果越理想。此外，不同類型的羥基（如孤立羥基、締合羥基等）對硅烷偶聯劑的反應活性不同，孤立羥基具有較高的反應活性，能夠與硅烷偶聯劑中的硅羥基（-Si-OH）迅速發生縮合反應，形成穩定的硅氧烷鍵。而締合羥基之間的氫鍵會降低其反應活性。

2、有機官能團選擇策略

有機官能團基團作為與有機物直接接觸的基團，決定了硅烷偶聯劑在有機高分子材料中的應用效果，只有當Y基團能和對應的有機物基體起反應時，才能更好地提高應用效果。目前根據有機官能團的種類分類，常見的硅烷偶聯劑主要包括羥基型、乙烯基型、氨基型、丙烯酸型、醇酸型等。

①乙烯基硅烷偶聯劑

乙烯基硅烷偶聯劑主要包括乙烯基三氯硅烷、甲基乙烯基二氯硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷等品種，是目前用于聚烯烴材料交聯的最常用的交聯劑，其乙烯基官能團與烯烴聚合物在光引發劑或者過氧化物條件下引發自由基反應，實現硅烷接枝，硅烷以交聯形式在聚合物分子鏈間形成共價鍵以取代原有范德華力，形成三維交網絡結構，可以改善其附著性能和耐老化性。除此之外，乙烯基團活性適中，還可以與含有雙鍵的乙烯、丙烯酸酯、苯乙烯等聚合物單體化學鍵結合，從而可以提高丙烯酸樹脂、不飽和聚酯(UPR)，聚苯乙烯的粘結性和力學性能。

②氨基硅烷偶聯劑

氨基類硅烷偶聯劑的主要品種以氨丙基三烷氧基硅烷為主，其通用性強，幾乎能與各種聚合物樹脂發生偶聯作用。由于游離氨基的存在，此類硅烷偶聯劑堿性大，具有較高的反應活性，且成型材料的撓曲強度隨著氨基的增加也相應增加，此類硅烷偶聯劑的缺點在于使用過程中容易發生過早反應而達不到預期效果。除此之外，它們對不飽和聚酯樹脂的固化過程具有阻聚作用，因此不適用于不飽和聚酯樹脂體系。

③含硫硅烷偶聯劑

雙-(3-(三乙氧基硅烷)丙基)-四硫化物分子結構

含硫硅烷偶聯劑目前主要用于輪胎工業中，其通過結構中的硫與橡膠結合，烷氧基與白炭黑表面的硅羥基結合，能夠改善白炭黑等在有機物中的團聚現象，并形成牢固的網絡結構，可以作為硫化劑、潤濕劑、補強劑等改善橡膠輪胎的多項物理機械性能。

④環氧基硅烷偶聯劑

傳統硅烷偶聯劑易與水發生預交聯反應的缺陷，限制了其在聚酯材料中的應用。而環氧基可與不飽和聚酯中的羥基反應，能夠適用于不飽和聚酯中。除此之外，環氧基可在受熱或酸、堿催化劑的作用下發生環氧開環反應而與含伯氨基、羧基、環氧基、酸酐等的聚合物發生化學反應，尤其適合應用于環氧樹脂中。值得一提的是，與其它功能性硅烷偶聯劑相比，環氧類硅烷偶聯劑更穩定且不易發黃，能夠在有機聚合物復合材料中提供增強、耐候、抗濕、增容的優異性能。

⑤甲基丙烯酰氧基類

Y-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷（來源：960化工網）

這類硅烷偶聯劑同時具有聚合反應和共聚反應的雙重特性，它既可用于樹脂復合材料，還可用于有機硅或者有機聚合物材料化學的結構改性。由于此類硅烷偶聯劑在加熱或光照的條件下易產生自由基引發聚合反應，在光固化有機硅涂料、清漆或膠黏劑中常作為光引發聚合交聯的基團使用。

參考文章：

1、矽站Silstation.《不同官能基的硅烷偶聯劑用途》；

2、活性高白超細氫氧化鋁阻燃劑.《科普 || 硅烷偶聯劑的分類與應用》；

3、添藝新材.《硅烷偶聯劑作用機理與應用》；

4、硅碳創新匯.《選用硅烷偶聯劑的一般原則》

5、新化原化學NCMC.《化學中的“橋梁”----硅烷偶聯劑》

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