基礎材料|矽烷偶聯劑在有機膠粘劑中的應用

        康達科技集團(Qanta Group), 是全球領先的有機矽解決方案供應商之一,致力於提供個性化的有機矽解決方案。其擁有從金屬矽到特種有機矽材料的全方位產品供應鏈。主要業務為特用化學品技術及特殊SILICONE與複合材料相關應用製程技術材料開發、設計、銷售。目前已有18年以上曆史,與全球500強企業有合作銷售經驗,是一家集科研,開發,生產及銷售為一體的國家級高新技術企業,擁有國際化品質,技術和管理及提供一條龍Silicone 材料應用整合。公司擁有廣泛的銷售和研發網絡,可提供有利於未來可持續發展的創新技術和基於市場需求的解決方案。

目前,膠粘劑的應用已浸透到國民經濟的各個領域中,在很多場合下,膠粘劑能有效地代替焊接、鉚接、螺接和其它機械聯接,為各生產戰線簡化工藝、節約能源、降低本錢、進步經濟效益提供了有效途徑。

隨著科學技術的飛速發展,對膠粘劑的性能及粘接技術提出了越來越高的要求。因不同材料具有不同的界麵性能,在粘接過程中為了在膠粘劑和被粘物表麵之間獲得一堅固的粘接界麵層,常利用含有反應性基團的偶聯劑與被粘物固體表麵形成化學鍵來實現。可以用作偶聯劑的物質有有機矽烷類、鈦酸酯類、磷酸酯類以及某些有機酸等,其中又以矽烷偶聯劑的應用最為成熟。

⒈矽烷偶聯劑在有機膠粘劑中的作用

矽烷偶聯劑是能同時與極性物質和非極性物質產生一定結協力的化合物,其特點是分子中同時具有極性和非極性部分,可用通式表示為Y(CH2)nSiX3,其中Y表示烷基、苯基以及乙烯基、環氧基、氨基、巰基等有機官能團,常與膠粘劑基體樹脂中的有機官能團發生化學結合;X表示氯基、甲氧基、乙氧基等,這些基團易水解成矽醇而與無機物質(玻璃、矽石、金屬、粘土等)表麵的氧化物或羥基反應,天生穩定的矽氧鍵。因此,通過使用矽烷偶聯劑,可在無機物質和有機物質的界麵之間架起“分子橋”,把兩種性質完全不同的材料連接在一起,這樣就有效地改善了界麵層的膠接強度。

在膠粘劑中加進矽烷偶聯劑不僅能進步粘合強度,而且還能改善膠粘劑的耐久性和耐濕熱老化性能。例如聚氨基甲酸酯固然對很多材料具有較高的粘協力,但其耐久性不太理想,在加進矽烷偶聯劑後其耐久性可得到明顯改善 。陳瑞珠等在研究鈦合金粘接件的濕熱耐久性題目時,通過在所用環氧膠粘劑中加進矽烷偶聯劑,使得膠接件在經過濕熱老化後的剪切強度保存率由80%左右進步到97%左右。矽烷偶聯劑甚至可以直接用作膠粘劑,用於矽橡膠、氟橡膠、丁腈橡膠等與金屬的粘接。 

為改善有機膠粘劑的某些性能(如耐熱性、自熄性、尺寸穩定性等),或是為降低有機膠粘劑的本錢,經常要在膠粘劑中加進一些無機填料。假如預先用矽烷偶聯劑對填料進行處理,則由於填料表麵的極性基團與矽烷偶聯劑發生了反應,從而大大減少了填料與樹脂的結構化作用,不僅使填料對膠粘劑基體樹脂的相容性和分散性大大進步,而且明顯降低了體係的粘度,因而可增大填料用量。然而並不是對所有的填料采用偶聯劑處理都有效,填料種類不同,效果上也有差別,有些甚至毫無效果。對於矽石、玻璃、鋁粉之類表麵帶有大量羥基的填料,效果最好,而對於碳酸鈣、石墨、硼等表麵不帶羥基的填料,則毫無效果。 

⒉矽烷偶聯劑的使用方法 

⑴表麵預處理法 將矽烷偶聯劑配成0.5~1%濃度的稀溶液,使用時隻需在清潔的被粘表麵塗上薄薄的一層,幹燥後即可上膠。所用溶劑多為水、醇、或水醇混合物,並以不含氟離子的水及價廉無毒的乙醇、異丙醇為宜。除氨烴基矽烷外,由其它矽烷偶聯劑配製的溶液均需加進醋酸作水解催化劑,並將pH值調至3.5~5.5。長鏈烷基及苯基矽烷由於穩定性較差,不宜配成水溶液使用。氯矽烷及乙酰氧基矽烷水解過程中伴隨有嚴重的縮合反應,也不宜配成水溶液或水醇溶液使用,而多配成醇溶液使用。水溶性較差的矽烷偶聯劑,可先加進0.1~0.2%(質量分數)的非離子型表麵活性劑,然後再加水加工成水乳液使用。 

⑵遷移法 將矽烷偶聯劑直接加進到膠粘劑組分中,一般加進量為基體樹脂量的1~5%。塗膠後依靠分子的擴散作用,偶聯劑分子遷移到粘接界麵處產生偶聯作用。對於需要固化的膠粘劑,塗膠後需放置一段時間再進行固化,以使偶聯劑完成遷移過程,方能獲得較好的效果。 

實際使用時,偶聯劑經常在表麵形成一個沉積層,但真正起作用的隻是單分子層,因此,偶聯劑用量不必過多。 

⒊ 矽烷偶聯劑的選用 

在矽烷偶聯劑的兩類性能互異的基團中,以Y基團最重要,它直接決定矽烷偶聯劑的應用效果。隻有當Y基團能和對應的基體樹脂起反應時,才能進步有機膠粘劑的粘接強度。一般要求Y基團能與樹脂相溶並能起偶聯反應,所以對於不同的樹脂,必須選擇含適當Y基團的矽烷偶聯劑。當Y為無反應性的烷基或芳基時,對極性樹脂是不起作用的,但可用於非極性樹脂,如矽橡膠、聚苯乙烯等的膠接中。當Y為反應性官能基,如乙烯基、環氧基、巰基等時,要留意它與所用樹脂的反應性及相溶性。氨基矽烷類偶聯劑是屬於通用型的,幾乎能與各種樹脂起偶聯作用,但聚酯樹脂除外。膠粘劑中常用的矽烷偶聯劑。 

4、矽烷偶聯劑的研究動向 

 

目前常用的矽烷偶聯劑為三烷氧基型,但三烷氧基型偶聯劑有可能降低基體樹脂的穩定性,因而近年來二烷氧基型偶聯劑的研究和應用得到重視。合成帶有活性矽烷基的高分子也是矽烷偶聯劑的發展方向之一,這種偶聯劑對膠粘劑中的樹脂具有更好的相容性,可在被粘物表麵形成一個均一麵,因而具有更好的粘接效果。過氧基矽烷也是近年來開始研究的一種偶聯劑,它的特點是在熱的作用下,偶聯劑分解天生自由基,可以與烯類聚合物發生交聯,從而促進烯類聚合物的粘接。


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