2530-83-8 / 硅烷偶聯劑KH560化學名為 γ-(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷

【背景及概述】^[1][2]

偶聯劑是一種重要的、應用領域日漸廣泛的處理劑．其分子結構的最大特點是分子中含有化學性不同的2個基團。1個是親無機物的基團，易與無機物表面起化學反應；另1個是親有機物的基團，能與合成樹脂或其他聚合物發生化學反應或生成氫鍵溶于其中。因此偶聯劑被稱作分子橋，用以改善無機物與有機物之間的界面作用，如物理性能、電性能、熱性能和光性能等。偶聯劑用于橡膠工業中，可提高輪胎、膠板、膠管、膠鞋等產品的耐磨性和耐老化性能，并且能減小天然橡膠用量，從而降低成本。偶聯劑的種類繁多，主要有硅烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑、鋁酸酯偶聯劑、雙金屬偶聯劑、磷酸酯偶聯劑、硼酸酯偶聯劑、鉻絡合物及其他高級脂肪酸、醇、酯的偶聯劑等，目前應用范圍最廣的是硅烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑。

硅烷偶聯劑最早是由美國聯合碳化合物公司(UCC)為發展玻璃纖維增強塑料中而開發的，自20世紀中期開發至今，品種相當繁多，僅已知結構的硅烷偶聯劑就有百余種之多，成為近年來發展較快的一類有機硅產品。其最大應用領域主要是用于改善兩種性質不同的材料之間的粘接性。使之在兩界面之間形成硅烷彈性撟，從而提高制品的機械、電絕緣及抗老化等綜合性能。隨著高性能和高功能化復合材料的迅速發展，對硅烷偶聯劑的性能及其使用技術也提出了新的更 高的要求。比如為使一種偶聯劑能適應多種樹脂，需要多功能硅烷；為排除填料本身性質 (酸性、堿性等) 對復合材料的影響，需要能夠使填料表面鈍化的硅烷等等。從而促使研究工作者不斷開發多功能新 型硅烷偶聯劑，并使從單一使用硅烷偶聯劑向同時多種復合使用的方向發展。

硅烷偶聯劑KH560，化學名為γ-(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，無色透明液體, 是一種典型的硅烷偶聯劑。硅烷偶聯劑KH560分子中含有一個環氧基使其表現出優異的理化性能，具有廣泛的應用。

【結構】^[3]

硅烷偶聯劑的分子式一般可用RnSiX ，n<4自然數，通式來表示。其特點是分子中具有兩種以上不同的反應基團，其中R基團是非水解的可與有機物反應的基團，如乙烯基、烯丙基、氫基、環氧基、琉基、丙烯酰氧丙基等。X 基團是可水解的基團，它是與無機材料反應不可缺少的基團，如甲氧基、乙氧基、酰氧基、芳氧基、叔丁過氧基、氯等，它們水解以后生成Si-OH基，而與無機材料如玻璃、白炭黑、金屬等縮合。硅烷偶聯劑KH560結構如下：

【偶聯機理】^[2]

硅烷偶聯劑包括硅烷偶聯劑KH560在提高復合材料性能方面具有顯著的效果。但迄今為止，還沒有一種理論能解釋所有的事實。常用的理論有化學鍵理論、表面浸潤理論、變形層理論、拘束層理論等。其中前兩種理論較為普遍。

1. 化學鍵理論

在硅烷偶聯劑的偶聯機理中，化學鍵理論是最主要的理論。該理論認為，硅烷偶聯劑含有反應性基團，它的一端能與無機材料表面的羥基或金屬表面的氧化物生成共價鍵或形成氫鍵，另一端與有機材料形成氫鍵或生成共價鍵；從而將無機材料和有機材料的界面有機地連接起來，提高復合材料的各項性能。此外有研究認為硅烷偶聯劑在有機材料和無機材料之間的作用，除了化學鍵和氫鍵之外，還存在色散力。

2. 表面浸潤理論

硅烷偶聯劑的表面能較低，潤濕能力較高，能均勻地分布在被處理表面，從而提高異種材料間的相容性和分散性。硅烷偶聯劑的作用在于改善了有機材料對增強材料的潤濕能力。實際上，硅烷偶聯劑在不同材料界面的偶聯過程是一個復雜的液固表面物理化學過程。首先，硅烷偶聯劑的粘度及表面張力低、潤濕能力較高，對玻璃、陶瓷及金屬表面的接觸角很小，可在其表面迅速鋪展開，使無機材料表面被硅烷偶聯劑濕潤；其次，一旦硅烷偶聯劑在其表面鋪展開，材料表面被浸潤，硅烷偶聯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生成硅羥基，取向于無機材料表面，同時與材料表面的羥基發生水解縮聚反應；有機基團則取向于有機材料表面，在交聯固化中，二者發生化學反應，從而完成了異種材料間的偶聯過程。

【選用原則】^[2]

在硅烷偶聯劑分子中，既有親有機材料的有機基團，又有親無機材料的可水解基團。其中有機基團對制品的性能影響很大。只有當有機基團能與相應的有機材料反應時，才能提高復合材料的性能。當硅烷偶聯劑中的有機基團為非反應性的烷基或芳基時，對極性有機材料不起作用；但可用于非極性材料中。在選擇硅烷偶聯劑作復合材料的助劑時。除需考慮硅烷偶聯劑有機基團的反應性之外。還應考慮硅烷偶聯劑與有機材料的相容性以及對膠料貯存穩定性的影響。有時，采用復合硅烷偶聯劑或硅烷偶聯劑與多種化合物的反應產物效果會更好。

【應用】^[2][4][5]

硅烷偶聯劑KH560分子中含有一個環氧基使其表現出優異的理化性能，具有廣泛的應用 。

①硅烷偶聯劑KH560主要用來改善有機材料和無機材料表面的粘接性能，如玻璃鋼中的玻璃纖維和塑料、橡膠、油漆、涂料中的硅質填料等材料的處理。還用于粘接劑中以增加粘接性能，它所適應的樹脂包括環氧、酚醛、三聚氰胺、聚硫化物聚氨酯、聚苯烯等：

②硅烷偶聯劑KH560可提高無機填料、底材和樹脂的粘合力，從而提高復合材料的機械強度、電氣性能。并且在濕態下有較高的保持率；

③硅烷偶聯劑KH560作為無機填料表面處理劑，廣泛應用于陶土、玻璃微珠、滑石粉、硅灰石、白炭黑、石英、鋁粉、鐵粉：

④硅烷偶聯劑KH560適用于填充石英的環氧密封劑，填充砂粒的環氧混凝土修補材料或涂料以及填充金屬的環氧模具材料；

⑤硅烷偶聯劑KH560還可改善雙組分環氧密封劑的粘合力。改善丙烯酸膠乳、密封劑、聚氨酯、環氧涂料的粘合力。

【合成】^[5]

硅烷偶聯劑KH560的合成：在裝有球形冷凝管、干燥管、溫度計、恒壓滴液漏斗的四口圓底燒瓶中．加入烯丙基縮水甘油醚和催化劑，用集熱式恒溫加熱磁力攪拌器加熱至反應溫度，以一定流速滴加三甲氧基氫硅，滴加完畢后保溫反應一段時間、降溫、精餾后得產品γ-(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷（硅烷偶聯劑KH560）。

該硅氫加成為配位加成，其反應機理為Chalk-Harrod機理，該反應機理采用了傳統的氧化加成和還原消去步驟來解釋硅氫加成如何進行，反應過程分三步，可用反應式示意如下：

【主要參考資料】

[1] 鄔繼榮; 陳利民; 許文東. 新型硅烷偶聯劑研究進展.化工生產與技術, 2009, 16.4: 48-50.

[2] 陳世容; 瞿晚星; 徐卡秋. 硅烷偶聯劑的應用進展.有機硅材料, 2003, 17.5: 28-31.

[3] 楊育珍； 何勝剛. 有機硅烷偶聯劑及其應用.化學工程師， 1994， 5： 40-42.

[4] 王凡非, 馮啟明, 王維清, & 黃陽. (2014). 硅烷偶聯劑 KH550 對超細石英粉的改性.材料導報,28(18), 70-73.

[5] 蔣志秋, 朱曉英, 王瑜剛, 尤小姿, & 彭華龍. (2011). γ-(2, 3-環氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷的合成研究.浙江化工,42(8), 10-14.