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偶聯劑作用機理與特點
Action Mechanism and Characters of Coupling Agent

了解偶聯劑結構和性能的關系,可以幫助你正確選用各類偶聯劑品種。

四價元素是最好的分子建筑者,例如四價鈦碳---構成了生命的基礎。同樣鈦化學表明,四價鈦可以使化學家們合成出各種分子類型的鈦酸酯作為偶聯劑,它們除了能為不同的填充劑和聚合物體系提供良好的偶聯作用外,還顯示其它各種功能。

鈦酸酯偶聯劑的分子可以劃分為六個功能區,它們在偶聯機制中分別發揮各自的作用。 六個功能區如下圖所示:偶聯劑作用機理與特點

功能區① (RO)m -起無機物與鈦偶聯。

鈦酸酯偶聯劑通過它的烷氧基直接和填料或顏料表面所吸附的微量羧基或羥基進行化學作用而偶聯。

由于功能區①基團的差異開發了不同類型偶聯劑,每種類型對填料表面的含水量有選擇性,各類型特點:

1、單烷氧基型;

單烷氧基鈦酸酯在無機粉末和基體樹脂的界面上產生化學結合,它所具有的極其獨特的性能是在無機粉末的表面形成單分子膜,而在界面上不存在多分子膜。

因為依然具有鈦酸酯的化學結構,所以在過剩的偶聯劑存在下,使表面能變化,粘度大幅度降低,在基體樹脂相由于偶聯劑的三官能基和酯基轉移反應,可使鈦酸酯分子偶聯,這就便于鈦酸酯分子的變型和填充聚合物體系的選用。

該類偶聯劑(除焦磷酸型外)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充劑體系,如碳酸鈣、水合氧化鋁等。

2、單烷氧基焦磷酸酯型:

該類鈦酸酯適合于含濕量較高的填充劑體系,如陶土、滑石粉等,在這些體系中,除單烷氧基與填充劑表面的羥基反應形成偶聯外,焦磷酸酯基還可以分解形成磷酸酯基,結合一部份水。

3、配位型:

可以避免四價鈦酸酯在某些體系中的副反應。如在聚酯中的酯交換反應,在環氧樹脂中與羥基的反應,在聚氨酯中與聚醇或異氰酸酯的反應等。該類偶聯劑在許多填充劑體系中都適用,有良好的偶聯效果,其偶聯機理和單烷氧基型類似。

4、螫合型:

該類偶聯劑適用于高濕填充劑和含水聚合物體系,如濕法二氧化硅、陶土、滑石粉、硅酸鋁、水處理玻璃纖維、燈黑等,在高濕體系中,一般的單烷氧基型鈦酸酯由于水解穩定性較差,偶聯效果不高,而該型具有極好的水解穩定性,在此狀態下,顯示良好的偶聯效果。

功能區② -(--O……)--具有酯基轉移和交聯功能。

該區可與帶羧基的聚合物發生酯交換反應,或與環氧樹脂中的羧基進行酯化反應,使填充劑、鈦酸酯和聚合物三者交聯。

酯交換反應性受以下幾個因素支配:
1、鈦酸酯分子與無機物偶聯部份的化學結構;
2、功能區③上的OX基團的化學結構;
3、有機聚合物的化學結構;
4、其它助劑如酯類增塑劑的化學性質。

鈦酸酯在聚烯烴之類的熱塑性聚合物中不發生酯交換反應,但在聚酯,環氧樹脂中或者在加有酯類增塑劑的軟質聚氯乙烯塑料中,酯交換反應卻有很大影響。酯交換反應的活性太高會造成不良后果,例如象KR-9S那樣的鈦酸酯,當加入到聚合物中后,能迅速發生酯交換反應,初期粘度急劇升高,使填充量大大下降,而象KR-12那樣的鈦酸酯、酯交換反應的活性低,沒有初期粘度效應,但酯交換反應可隨著時間逐漸進行,這樣不但初期的分散性良好,而且填充量可大為增加。

在涂料中可利用鈦酸酯偶聯劑的酯交換機制來交聯固化飽和聚酯和醇酸樹脂,從而可得到一種不泛黃的材料(因為不含不飽和結構),由于酯交換作用可以表現觸變性,因此有較高酯交換活力的KR-9S具有觸變性效果,TTS也有一定程度的酯交換能力。

功能區③ OX--連接鈦中心的基團。

這一部位的OX基團隨基結構不同,對鈦酸酯的性能有不同影響,例如羧基可增加與半極性材料的相溶性,磺酸基具有觸變性,砜基可增加酯交換活性,磷酸酯基可提高阻燃性,聚氯乙烯的軟化性;焦磷酸酯基可吸收水份,改進硬質聚氯乙烯的沖擊強度,亞磷酸酯基可提高抗氧性,降低聚酯或環氧樹酯中的粘度等。

功能區④ R---熱塑性聚合物的長鏈糾纏基團,鈦酸酯分子中的有機骨架。

由于存在大量長鏈的碳原子數提高了和高分子體系的相溶性,引起無機物界面上表面能的變化,具有柔韌性及應力轉移的功能,產生自潤滑作用,導致粘度大幅度下降,改善加工工藝,增加制品的延伸率和撕裂強度,提高沖擊性能,如果R為芳香基,可提高鈦酸酯與芳烴聚物的相溶性。

功能區⑤ Y---熱固性聚合物的反應基團。

當它們連接在鈦的有機骨架上,就能使偶聯劑和有機材料進行化學反應而連接起來,例如雙鍵能和不飽和材料進行交聯固化,氨基能和環氧樹脂交聯等。

功能區⑥ )n 它代表鈦酸酯的官能度,n可以為1-3,因而能根據需要調節,使它對有機物產生多種不同的效果,在這一點上靈活性要比象硅烷那樣的三烷氧基單官能偶聯劑大。

從上述六個功能區的作用,可以看出鈦酸酯偶聯劑具有很大的靈活性和多功能性,它本身既是偶聯劑,也可以是分散劑、濕潤劑、粘合劑、交聯劑、催化劑等、還可以兼有防銹、抗氧化、阻燃等多功能,因此應用范圍很廣,勝過其它偶聯劑。

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了解偶聯劑必讀:偶聯劑作用機理與特點,偶聯劑的作用機理圖解,鈦酸酯偶聯劑使用方法,這幾篇文章對了解偶聯劑產品的機理和使用方法很有幫助;
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