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偶聯劑:是一類具有兩性結構的物質，它們分子中的一部分基團可與無機表面的化學基團反應，形成化學鍵合；另一部分基團則有親有機物的性質，可與有機分子發生化學反應或產生較強的分子間作用，從而將兩種性質截然不同的材料牢固地結合起來，改善無機填料在聚合物基體中的分散狀態，提高填充聚合物材料的力學性能和使用性能。回復“助劑”，查詢更多相關文章
炭黑納米復合材料
未加偶聯劑
加硅烷偶聯劑
從圖中可以看出，偶聯劑的加入，可以明顯改善兩種物質間的界面作用，以及改善分散性
其化學結構可分：硅烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑、鋯酸酯偶聯劑、鋁酸酯偶聯劑、雙金屬偶聯劑( 鋁-鋯酸酯、鋁鈦復合偶聯劑)、稀土偶聯劑、含磷偶聯劑、含硼偶聯劑等。（橡膠工業中最常用的是硅烷、鈦酸酯和鋁酸酯偶聯劑）
1.硅烷偶聯劑
化學結構式：RnSiX4-n
R：為非水解的、可與高分子聚合物結合的有機官能團。可為：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水解，與無機物表面有較好的反應性。可為：烷氧基、芳氧基、酰基、氯基等。其中，最常用的為甲氧基和乙氧基。
注：無機端水解后與無機物界面反應，有機端則與有機界面進行作用，因而改進了復合材料組分間的作用
2、作用機理
（1）X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；
（3）R基與有機物相結合。
3、水解條件（三烷氧基硅烷與水的作用是偶聯作用的基礎，大部分硅烷經水解后為水溶性的）
1.溶液的pH值對其穩定有很大影響
2.常用的酸有鹽酸、醋酸、月桂酸等。但在調節酸堿性促進水解的同時，也促進了硅醇之間的相互縮合，形成沒有活性的聚合物
3.酸堿性對硅烷上的有機官能團也有影響
4.使用方法
1.預處理法：（干式法、濕式法、噴布法）
干式法：將無機填料加入高速捏合機中進行攪拌，邊攪拌邊將硅烷偶聯劑的醇水溶液，或有機溶液，或水溶液加入，使之均一分散后，干燥即可。回復“助劑”，查詢更多相關文章
2.硅烷偶聯劑用量
注：若無機填料比表面積不明時，可確定為填料量的1%左右；針對密度較小的填料時，用溶劑稀釋使用效果更好。（真正起偶聯作用的是少量的偶聯劑所形成的單分子層。）
2.整體摻合法（同時法）
在有機基體與無機填料混合的過程中，同時加入硅烷偶聯劑原液，然后進行成型加工或經高剪切混合擠出、切粒制成母料。
特點：填料不必預處理，硅烷偶聯劑的濃度也可任意調整，并且可以一步完成復合材料制品的配料。但要得到與預處理法相同的處理效果，必須使用三倍于預處理法的硅烷偶聯劑。
5.應用
硅烷偶聯劑可用于許多無機填料，其中在含硅酸成分多的玻璃纖維、石英粉及白碳黑中效果最好，在陶土和水合氧化鋁中次之，對不含游離水的碳酸鈣效果欠佳，硅烷偶聯劑的有機基對聚合物的反應有選擇性。
常見硅烷偶聯劑
1.KH550(γ-氨丙基三乙氧基硅烷 )
溶解性：可溶于有機溶劑，但丙酮、四氯化碳不適宜作釋劑；可溶于水。在水中水解，呈堿性。
主要應用于礦物填充的酚醛、聚酯、環氧、聚酰胺、碳酸酯等熱塑性和熱固體樹脂，能大幅度提高增強塑料的干濕態抗彎強度、抗壓強度、剪切強度等物理力學性能和濕態電氣性能，并改善填料在聚合物中的潤濕性和分散性。
2.A-151(乙烯基三乙氧基硅烷 )
溶解性：可溶于有機溶劑，但丙酮、四氯化碳不適宜作釋劑；可溶于水。在水中水解，呈堿性。
主要用于聚乙烯交聯；不飽和聚酯、聚乙烯、聚丙烯樹脂等玻璃纖維增強塑料的玻纖表面處理；合成特種涂料；粘接劑；電子元器件的表面防潮處理；無機含硅填料的表面處理等；也用于復合玻璃中間層的表面處理。回復“助劑”，查詢更多相關文章
3.KH560(γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷 )
溶解性：溶于水，同時發生水解反應，水解反應放出甲醇。溶于醇、丙酮和在5%以下的正常使用水平溶于大多數脂肪族酯。
KH-560是一種含環氧基的偶聯劑，用于多硫化物和聚氨酯的嵌縫膠和密封膠，用于環氧樹脂的膠粘劑、填充型或增強型熱固性樹脂、玻璃纖維膠粘劑和用于無機物填充或玻璃增強的熱塑料性樹脂等。
2.鈦酸酯偶聯劑
1、化學結構通式
R基：可與無機填料表面的羥基反應，形成偶聯劑的單分子層，從而起化學偶聯作用。
-O-基：能發生各種類型的酯基轉化反應，由此可使鈦酸酯偶聯劑與聚合物及填料產生交聯，同時還可與EP中的羥基發生酯化反應。
X：與鈦氧鍵連接的原子團，或稱黏結基團，決定著鈦酸酯偶聯劑的特性。可為：烷氧基、羧基、硫酰氧基、磷氧基、亞磷酰氧基、焦磷酰氧基等。
R’：是鈦酸酯偶聯劑分子中的長鏈部分，主要是保證與聚合物分子的纏結作用和混溶性，提高材料的沖擊強度，降低填料的表面能，使體系的黏度顯著降低，并具有良好的潤滑性和流變性能。
Y：是鈦酸酯偶聯劑進行交聯的官能團，有不飽和雙鍵基團、氨基、羥基等。
鈦酸偶聯劑
2、分類
1.單烷氧基型
2.單烷氧基焦磷酸酯型
3.螯合型
4.配位體型
3、作用機理
鈦酸酯偶聯劑的作用機理較為復雜，但它的多功能性與一劑多用的特征十分引人注目。
①單烷氧基鈦酸酯
單烷氧基可與填料表面上的羥基氫原子反應，形成化學鍵合。另外三個有機長鏈可與聚合物分子發生纏繞，這樣就將聚合物與填料緊密地結合在一起。
單烷氧基鈦酸酯在填料表面形成的是單分子層，而不是像硅烷偶聯劑那樣形成多分子層。
如果填料或聚合物含有大量的水分，該類單烷氧基鈦酸酯則易發生水解而失去偶聯作用。因此，該類偶聯劑特別適合于不含游離水，只含化學鍵合水或物理鍵合水的干燥填料體系，如碳酸鈣、水合氧化鋁等。
②單烷氧基焦磷酸酯型偶聯劑
該類偶聯劑適合于含濕量較高的填料體系，如陶土、滑石粉、高嶺土等。
在這些體系中，除單烷氧基與填料表面的羥基反應形成偶聯外，焦磷酸酯基還可分解形成磷酸酯基，結合一部分水。
這類偶聯劑的典型品種是三（二辛基焦磷酰氧基）鈦酸異丙酯（TTOPP-38）。
③螯合型鈦酸酯偶聯劑
該類偶聯劑適用于高濕填料和含水聚合物體系，如濕法二氧化硅、陶土、滑石粉、硅酸鋁、水處理玻璃纖維、炭黑等。
在高溫體系中，一般單烷氧基型鈦酸酯由于水解穩定性差，偶聯效果不好，而螯合型鈦酸酯具有極好的水解穩定性，適于在高溫狀態下使用。
根據螯合環的不同，這類偶聯劑分兩種基本類型：螯合100型，螯合基為氧代乙酰氧基；螯合200型，螯合基為二氧亞乙基。
④配位體型鈦酸酯偶聯劑
為了避免四價鈦酸酯在某些體系中的副反應而研制的，這些反應包括：在聚酯中的酯交換反應；在環氧樹脂中與羥基的反應；在聚氨酯中與聚醚與異氰酸酯的反應等。該類偶聯劑適用于許多填充體系，其偶聯機理與單烷氧基鈦酸酯類似。
4.特性
1.鈦酸酯偶聯劑的親有機部分通常為長鏈烴基（C12 ～18 ) ，它與聚合物鏈通過分子間的范德華力結合在一起。這種偶聯作用對于聚烯烴之類的熱塑性塑料特別適用。長鏈的纏繞可轉移應力應變，提高沖擊強度、伸長率和剪切強度，同時可在保持拉伸強度的情況下，增加填充量。
2.此外，長鏈烴基還可以改變無機物界面處的表面能，使黏度下降，高填充聚合物顯示良好的熔融流動性。
3.鈦酸酯偶聯劑應盡量避免與具有表面活性的助劑并用，它們會干擾鈦酸酯在界面處的偶聯反應，如果非使用這些助劑，應在填料、偶聯劑和聚合物充分混合之后再加入。
4.多數鈦酸酯都不同程度地與酯類增塑劑發生酯交換反應，因此，酯類增塑劑的加入也應在填料、偶聯劑和聚合物充分混合形成偶聯之后。
5.單烷氧基鈦酸酯在干燥或煅燒法填料體系中效果最好，在含游離水的濕填料中效果較差，此時應選用焦磷酸酯型鈦酸酯。對于比表面積大的濕填料最好選用螯合型鈦酸酯偶聯劑。
鈦酸酯偶聯劑和硅烷偶聯劑可以并用，產生協同效應，例如用螯合型鈦酸酯處理經硅烷偶聯劑處理過的玻璃纖維，偶聯效果大幅度提高。
5.用量
鈦酸酯偶聯劑用量通常為填料用量的0.5%，或為固體樹脂用量的0.25%，最終由效能來決定其最佳用量。其用量一般為無機填料的0.2%~0.25%。
6.使用方法
a、濕混合法
單烷氧基型、配位體型等偶聯劑可以用汽油、苯、乙醇等溶劑進行稀釋，再同填料或顏料混合均勻，然后用加熱或減壓等方法除去溶劑。
b、干混合法
在塑料工業中使用鈦酸酯偶聯劑，主要采用干法混合。為了使少量的鈦酸酯均勻地包覆在填料表面，一般加入少量稀釋劑，從而使少量的鈦酸酯均勻分布在填料表面上。
3.其他偶聯劑
1.鋁酸酯偶聯劑
其結構與鈦酸酯偶聯劑類似，分子中存在兩類活性基團，一類可與無機填料表面作用；另一類可與樹脂分子纏結，由此在無機填料與基體樹脂之間產生偶聯作用。具有色淺、無毒、使用方便等特點，熱穩定性能優于鈦酸酯偶聯劑，價格僅為鈦酸酯偶聯劑的一半。
鋁酸酯偶聯劑的用量一般為復合材料填料量的0.3%～1.0%。對于注塑或擠出成型的塑料硬制品，為填料的1.0%左右，其他工藝成型制品、軟制品及發泡制品，用填料量的0.3%～0.5%。高比表面的填料如氫氧化鋁、氫氧化鎂、白碳黑可用1.0%～1.3%
2.鋯類偶聯劑
鋯類偶聯劑不僅可以促進無機物和有機物的結合，而且還可以改善填料體系的性能。它的特點是能顯著降低填料體系的黏度，它可以抑制填充粒子間的相互作用，降低填料體系的黏度，從而可提高體系的分散性和增加填充量。
鋯類偶聯劑對于碳酸鈣、二氧化硅、氧化鋁、氧化鈦及陶土等填充體系有良好的改性效果。主要適用于聚烯烴、聚酯、環氧樹脂、尼龍、聚氨酯、合成橡膠等不同的聚合物填充體系
3.有機鉻類偶聯劑
由不飽和有機酸與三價鉻原子形成配價型金屬絡合物。在玻璃纖維增強塑料中，具有較好的使用效果。
有機鉻偶聯劑成本低，但品種單調，適用范圍和偶聯效果不及硅烷偶聯劑和鈦酸酯類偶聯劑，更主要的原因是鉻離子毒性及由此帶來的環境污染問題，導致目前的用量在逐漸減少
4.復合偶聯劑
（1）鋁鈦復合偶聯劑
鋁鈦復合偶聯劑是以鋁代替了部分作為偶聯劑的中心原子，減少了偶聯劑價格較高的鈦的含量，使成本得以降低。它兼具鈦系、鋁系偶聯劑的特點，偶聯效果優于單一的鈦酸酯、鋁酸酯以及兩者簡單的混合物。回復“助劑”，查詢更多相關文章
（2）鋁鋯酸酯偶聯劑
該類偶聯劑是含鋁、鋯元素的有機絡合物的低聚合物，鋁鋯酸脂類偶聯劑具有以下特點：
a)價格低，其價格為硅烷偶聯劑的一半左右；
b)應用效果好，具有良好的水解穩定性；
c)熱穩定性好，可耐熱到300℃；
5.偶聯劑的選用原則
1.硅烷類偶聯劑主要適用于玻璃纖維及含硅填料，如石英、硅灰石等，也可用于部分金屬的氧化物及氫氧化物，但不適用于CaCO3。樹脂主要為熱固性樹脂。
2. 鈦酸酯類偶聯劑對填料的適用范圍廣，如CaCO3，鈦白粉等，還可用于玻璃纖維中。樹脂主要為熱塑性樹脂。
3.酸性填料應選用含堿性官能團的偶聯劑，而堿性填料應選用含酸性官能團的偶聯劑。
4.偶聯劑加入量。硅烷偶聯劑的用量可為填料的1%左右；鈦酸酸類用量一般為填料的0.25~2%。
5.一些表面活性劑會影響鈦酸酯偶聯劑用的發揮，如HSt等，因此它們必須在填料、偶聯劑、樹脂充分混合后加入。
6.大多數鈦酸酯類偶聯劑易與酯類增塑劑發生酯交換反應，因此，此類偶聯劑需待偶聯劑加入后方可加入。鈦酸酯類與硅烷類偶聯劑混合加入協同效果好。
文章由艾邦高分子整理
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