硅烷偶聯(lián)劑改性納米二氧化硅

硅烷偶聯(lián)劑改性納米二氧化硅概述現(xiàn)代材料表面改性技術是一門由多種學科發(fā)展而來的技術組合，其發(fā)展經歷了很長，很復雜的過程。表面改性技術通過對基體材料表面采用化學的、物理的方法改變材料或工件表面的化學成分或組織結構以提高機器零件或材料性能。它包括化學熱處理（滲氮、滲碳、滲金屬等）、表面涂層（低壓等離子噴涂、低壓電弧噴涂）、激光重熔復合等薄膜鍍層（物理氣相沉積、化學氣相沉積等）和非金屬涂層技術等。這些用以強化零件或材料表面的技術，賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射、導電、導磁等各種新的特性，使原來在高速、高溫、高壓、重載、腐蝕介質環(huán)境下工作的零件提高了可靠性、延長了使用壽命，具有很大的經濟意義和推廣價值。納米粉體是能夠通過表面處理的方法來獲得或者保持其特有的納米粒子的特性，這種表面處理方法工業(yè)上稱為包膜處理或表面改性處理。由于對納米粉體的制造要求不同于常規(guī)無機粉體的制造要求，因此表面改性處理主要針對防止納米粉體團聚，并幫助納米粒子在應用體系中也以納米形態(tài)存在，這個處理過程通常稱為粉體改性處理，使用的表面處理劑稱為有機改性劑。近年來，用無機納米SiO粒子增韌改性聚合物和雜化材料的研究取得了顯著效果。由于納米SiO具有表2面界面效應，量子尺寸效應，宏觀量子隧道效應和特殊光、電特性，高磁阻現(xiàn)象以及其在高溫下仍具有的高強、高韌、穩(wěn)定性好等奇異特性，使納米SiO可廣泛應用于各個領域，具有廣闊的應用前景和巨大的商業(yè)價值。但同時由于納米SiO的粒徑小、比表面積大、具有親水基團（一OH），表面活性高，穩(wěn)定性差，使得顆粒之間極易相互團聚在聚合物中不易分散，并且由納米效應引起的一系列優(yōu)異特性會被減弱或消失。同時由于SiO表面親水疏油在2有機介質中難以浸潤和分散，直接填充到材料中，很難發(fā)揮其作用，為了避免此現(xiàn)象發(fā)生就需要在其顆粒表面進行接枝改性。常用的改性劑有硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、超分散劑等。一、實驗目的1） 了解表面改性的目的、方法和基本原理。2） 掌握KH-520改性納米二氧化硅制備方法及操作。3） 掌握改性納米二氧化硅的表征方法。硅烷偶聯(lián)劑是一類具有特殊結構的低分子有機硅化合物，其通式為RSiX，式中R代表氨基、巰基、乙烯基、環(huán)氧基、氤基及甲基丙乙烯酰氧基等基團這些基團和不同的基體樹脂均具有較強的反應能力,X代表能夠水解的基團，如鹵素、烷氧基、酰氧基等。因此，硅烷偶聯(lián)劑既能與無機物中的羥基又能與有機聚合物中的長分子鏈相互作用，使兩種不同性質的材料偶聯(lián)起來，從而改善生物材料的各種性能硅烷偶聯(lián)劑在兩種不同性質材料之間的界面作用機理已有多種解釋，如化

學鍵理論、可逆平衡理論和物理吸附理論等。但是，界面現(xiàn)象非常復雜，單一的理論往往難以充分說明。通常情況下，化學鍵合理論能夠較好地解釋硅烷偶聯(lián)劑同無機材料之間地作用。根據(jù)這一理論，硅烷偶聯(lián)劑在不同材料界面的偶聯(lián)過程是一個復雜的液固表面物理化學過程。首先，硅烷偶聯(lián)劑的粘度及表面張力低，商品名稱化學名稱結構式A-143Y-氯丙基二甲氧基硅烷Cl(CH)Si(OCH)A-151乙烯基三乙氧基硅烷 ^-3 ^-3 H2C=CHSi(OC2H5)3A-171乙烯基三甲氧基硅烷H2C=CHSi(OCH3)3A-174Y-（甲基丙烯酰氧基）丙基三甲氧基硅烷ch3iH2C=C-CHCH2OOCH2CHl2CH2Si(OCH3)aHA-1863-（3,4環(huán)氧環(huán)己基）乙基二甲氧基硅烷0-7―\YTcH'H我KOCHmhA-189Y-巰丙基三甲氧基硅烷SHICH2CH^CH7Si(OCH3)3A-1100Y-氨丙基三乙氧基硅烷NH2CH2CH2CH2Si(OC2HA-1120N-3-（氨乙基）-Y-氨丙基二甲氧基硅烷NIHjCEH^NHCHsCHjCH^SitOCH^aA-1160Y-月尿基丙基三乙氧基硅烷OH片N-CH2CH2CHzSi(OCHjJgH2N潤濕能力較高，對玻璃、陶瓷及金屬表面的接觸角小，可在其表面迅速鋪展開,使無機材料表面被硅烷偶聯(lián)劑潤濕；其次，一旦硅烷偶聯(lián)劑在其表面鋪展開，材料表面被浸潤，硅烷偶聯(lián)劑分子上的兩種基團便分別向極性相近的表面擴散,由于大氣中的材料表面總吸附著薄薄的水層，一端的烷氧基便水解成硅羥基，取向于無機材料表面，同時與材料表面的羥基發(fā)生水解縮聚反應；有機基團則取向于有機材料表面，在交聯(lián)固化中，二者發(fā)生化學反應，從而完成了異種材料間的偶聯(lián)過程?；瘜W反應的簡要方程式如下：HO-Si-O-SiO-Si-OHQHOHOH縮合基材RSifOCHgJjHO-Si-O-SiO-Si-OHQHOHOH縮合基材Hz0 ch3ohRSi(OH)3OHZO水解

基材HO-Si-O-Si-O-Si-OH基材基材HO-Si-O-Si-O-Si-OH基材形成氫鍵形成共價鍵如前所述，正因為硅烷偶聯(lián)劑分子中包含有X基、R基兩種不同反應基團，所以才能起到把有機材料與無機物進行化學結合的媒介作用。但X基的不同只能影響水解速度，對復合材料的性能基本上無影響。因此，選用有機材料最合適的偶聯(lián)劑，即考慮R基與有機材料的化學性質，是使復合材料獲得最佳性能的重要條件。例如，對不飽和聚酯可選有乙烯基、環(huán)基及甲基丙稀酰氧基硅烷偶聯(lián)劑;聚氨酯宜選用氨基硅烷；環(huán)氧樹脂宜選用環(huán)氧基或氨基硅烷；酚醛樹脂宜選用氨基或脲基型有機硅烷；烯烴聚合物宜選用乙烯基型有機硅烷；硫磺硫化的橡膠宜選用疏基型有機硅烷偶聯(lián)劑。選擇硅烷偶聯(lián)劑時，需要注意的是：在偶聯(lián)劑與聚合物反應的同時，還存在著聚合物自身的反應和偶聯(lián)劑的自聚反應，如果偶聯(lián)劑與聚合物的反應速度太慢，則達不到理想效果。正確使用硅烷偶聯(lián)劑才能真正起到偶聯(lián)作用。硅烷偶聯(lián)劑的實際使用方法主要有兩種：預處理法和整體摻合法。所謂預處理法就是先用偶聯(lián)劑對無機填料進行表面處理，制成活性填料，然后再加入到聚合物中。根據(jù)處理方法不同可分為干法和濕法。干法即噴霧法，是將填料充分脫水后在高速分散機中，于一定溫度下與霧氣狀的偶聯(lián)劑反應制成活性填料；濕法也稱溶液法，是將偶聯(lián)劑與其低沸點溶劑配制成一定濃度的溶液，然后在一定溫度下與無機填料在高速分散機中均勻分散而達到調料的表面改性。在不能使用預處理法的情況下或僅使用預處理法還不夠充分時，可采用整體摻合法，即將硅烷偶聯(lián)劑摻入無機填料合聚合物中，一起進行混煉。此法優(yōu)點是偶聯(lián)劑用量可隨意調整，并一步完成配料，但其用量較多。實際使用中真正起到偶聯(lián)作用的是很少量的偶聯(lián)劑所形成的但分子層，過多添加偶聯(lián)劑是沒有必要的。硅烷偶聯(lián)劑的用量與其種類以及填料表面積有關。其計算公式為：硅烷偶聯(lián)劑用量二填料用量*填料表面積/硅烷最小包覆面積填料表面積不明時，硅烷偶聯(lián)劑的加入量可確定為填料的1%左右。三，實驗儀器及試劑1） 實驗儀器電動攪拌器、超聲波清洗儀、離心機、傅立葉紅外光譜儀、熱重分析儀、恒溫水浴槽、電子天平。2） 試劑疏水性氣相