應用領域

填料、顏料和纖維

一、偶聯劑在填料、顏料和纖維上的應用概況

偶聯劑最主要的作用就是通過 “分子橋”作用,使無機材料表面具有有機反應活性,使無機材料表面有機功能化,從而將高分子聚合物(樹脂、橡膠、塑料)與無機材料(填料、纖維)偶聯、聯接起來,進而提高樹脂基復合材料的力學性能和電氣性能,或提高樹脂涂層對無機底材、極性有機底材的附著力。

隨著顧客對產品性能的要求越來越高,無機礦物粉體、顏料和纖維的表面改性已經越來越普遍,產品加工越來越精細化和差異化,用硅烷偶聯劑和鈦(鋁)酸酯偶聯劑進行表面改性的無機礦物粉體、無機礦物纖維和顏料也越來越多。玻璃纖維、玄武巖纖維、玻璃微珠、玻璃磷片、玻璃粉、二氧化硅、硅微粉、硅灰石、石英、云母、硅藻土、高嶺土、滑石粉、氫氧化鋁、氫氧化鎂、氧化鋁、石棉、硅酸鋁、鋁銀粉、碳酸鈣、硫酸鋇、各種金屬粉末、各種金屬氧化物、群青、鈦白粉、氧化鐵、鋅鋇白、氧化鋅、炭黑、鉛鉻黃、鎘黃、氧化鉻綠、鉛鉻綠、鐵藍、鈷藍、金剛石、剛玉、碳化硅等各種無機礦物粉體、顏料和纖維及磨料都適用用偶聯劑進行表面改性。

二、偶聯劑對不同填料、顏料的適用性

硅烷偶聯劑主要是通過水解后形成的硅羥基與材料表面的活性基團(主要是羥基)進行化學鍵合及物理吸附而起作用的,因此有機功能硅烷對于材料表面有硅羥基或高表面能的材料具有良好的結合力,而對于表面沒有羥基、非極性、低表面能的材料則基本沒有改性效果。低表面能材料可以通過電暈、火焰、噴砂、酸堿洗、底涂等方式進行表面處理,從而提高表面能。

硅烷偶聯劑與無機顏填料或基材的匹配

2 

而鈦(鋁)酸酯偶聯劑是通過所謂的“質子化反應”與填料或底材表面進行反應,它不需要填料表面一定要有羥基(硅烷偶聯劑有此限制),也不需要預水解或填料表面需殘留水份(硅烷偶聯劑有此要求)。鈦(鋁)酸酯偶聯劑基本適用于所有類型的填料和顏料,無論它們表面是否含有羥基,對炭黑、石墨、碳酸鈣、硫酸鋇等硅烷偶聯劑無法改性的填料也有不錯的效果。

三、偶聯劑改性無機粉體、纖維的方法

1、干法改性

   干法改性是利用高速攪拌設備用適量的硅烷偶聯劑或鈦(鋁)酸酯偶聯劑對其粉體進行表面的包膜處理。偶聯劑可直接加入,也可以用溶劑(如醇)稀釋后再加入,加入方式以噴灑為宜。一般攪拌3~15分鐘,根據設備條件和攪拌速度而調整。為了使反應完全,建議在104~121℃下進行烘干。

2、濕法改性

對于一些沉淀法生產的填料,如沉淀法二氧化硅、氫氧化鋁、各種晶須。硅烷或水溶性鈦酸酯偶聯劑可以配制成水溶液,加入到粉體的料漿中,硅烷吸附在粉體的表面,化學鍵合通常在隨后的脫水、干燥的過程中完成。對于玻璃纖維、玄武巖纖維,硅烷偶聯劑通常是加入到浸潤劑中,纖維在浸潤劑潤濕后進行烘干。

四、偶聯劑的添加量

理論上硅烷的用量計算公式如下:

 1

其中一些常見的填料大致的比表面積參見下表,具體到某種填料的比表面積可查詢該填料的產品說明書:

填料或纖維

比表面積(m2/克)

電子級玻璃纖維

0.1~0.12

石英砂

1~2

高嶺土

7

粘土

7

滑石粉

7

碳酸鈣

5

硅酸鈣

2.6

常用硅烷的最小潤濕面積如下表所示:

硅烷型號

最小可潤濕面積  (m2/克)

SCA-V71M

515

SCA-V71E

410

SCA-K03M

315

SCA-A10E

353

SCA-A20T

380

SCA-A20M

351

SCA-E87M

330

SCA-E87F

356

SCA-E86M

317

SCA-R74M

314

SCA-S89M

398

SCA-C76M

393

SCA-P61M

321

SCA-P62M

355

需要說明的是:上述硅烷的理論用量的計算結果往往與實際使用的用量相差較大,僅作一個參考值。用戶需要根據設備條件、成本約束和性能要求等條件進行最優設計,通過多次試驗確定最符合需求和最佳性價比的改性條件、工藝參數和硅烷添加量。一般而言,粉體量的0.5%~ 1.5%是一個比較常用的添加量范圍,而1%的添加量對于絕大多數的應用都是比較適用的。

對于沒有內部孔隙、沒有很強吸附性的粉體材料可以采用下表10中的經驗數據:

粉體的粒徑

硅烷用量

≤ 1微米

1.5%

1至10微米

1.0%

10到20微米

0.75%

粒徑和海砂類似或更粗

≤ 0.1%

 

 

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