1 引言

大多数的热塑性树脂，热固性树脂和弹性体树脂有绝大部分是拿来与填料和纤维做混炼增强以取得最终产品优异的特殊性质。但是，由于无机填料与有机聚合物相溶性不是很好，如果直接添加，会造成分散不均，而且粒径大者还会成为复合材料中的应力集中点，成为材料中的薄弱环节，这些弊端不但限制了填料在聚合物中的添加量，而且还严重影响制品性能，所以通过对无机填料进行表面改性，改善无机填料与聚合物的亲合性、相溶性，以及加工流动性、分散性，提高填料、聚合物相界面之间的结合力，从而使复合材料的综合性能得到提高就非常重要。

用硅烷对填料进行预处理可得到比较满意的效果。

2 硅烷的作用机制

硅烷的功能可通过它双功能的分子结构来解释。通常，位于中心的硅原子与两个不同功能的基团相连接，有机基团Y与硅功能基团X，即Y-(CH₂)n-Si-(X) ₃ ，n在0到3之间。有机基团(如烷基，氟代烷基，氨基，环氧基，乙烯基等等)通过一个短的碳链紧紧地与硅原子相连接。硅功能基团X通常是烷氧基，必须要通过水分来活化，活化后硅功能基团X转变为硅醇形式OH，释放出醇类，主要是甲醇或乙醇。X基水解为羟基，羟基与无机底材表面反应醚键或氢键，Y基与有机物相结合。

3 硅烷处理的作用

    在所有牵涉到有机聚合物与无机填料之间反应的领域内，硅烷都表现出了卓越的优势。它能够改善树脂和填料的相容性；改善填料的分散性，控制体系的流变性；减小粘度，更接近牛顿流体性能；改善机械性能，如耐折强度，抗张强度，冲击强度和弹性模量；改善电气性能，提高疏水性，从而提高电性能，尤其当暴露于湿空气后；提高填料的填充量；减小膨胀性和水蒸气的穿透率。

4 硅烷的选择

    将无机材料粘结到聚合物上时，主要是C-Y基团通过与聚合物生成化学键、氢键、改善聚合物结晶性、酸碱反应以及互穿聚合物网络的生产而实现。因此不同的聚合物选用不同C-Y基团的硅烷偶联剂对于硅烷偶联剂的使用效果特别重要。例如一般情况下环氧树脂选用环氧基和氨基；酚醛树脂多选用氨基、脲基；不饱和聚酯多选用甲基丙烯酰氧基、乙烯基和环氧基。选择好C-Y基团才能确保填料与聚合物有最高的相容性。下表为不同聚合物中填充填料时适用的硅烷：

表一：部分热固性树脂的适用硅烷

表二：部分热塑性树脂的适用硅烷

表三：部分弹性体的适用硅烷

5 硅烷的用量

    为了获得最佳的粘结促进作用或疏水性，理论上每个填料粒子上都必须有一层硅烷单分子膜，如果已知填料的表面积和硅烷的比润湿面积（表）就可由下式计算出形成一层单分子膜所需的硅烷质量：

    硅烷质量（g）＝填料质量（g）×填料的比表面积（m²/g）÷硅烷的比润湿面积（m²/g）

表四：部分硅烷的比润湿面积

表五：部分填料的比表面积

例如用VTMOEO处理1000克的高岭土，所需硅烷质量为：1000×7÷278≈15.2克。

但实践发现，为了获得最佳的粘合促进作用，并没有必要按计算出用量使用硅烷，最宜用量可大可小。硅烷在填料整个表面上的分布取决于表面的活性和所用的预处理方法。其用量与效果也并非成正比关系，用量太多偶联剂过剩反而会使性能下降。实际应用上，以填料的重量1%为基础的硅烷添加量是处理填料时的最佳初始配方。实际最佳硅烷添加量必须通过多次试验来确认。

6 硅烷的用法

6.1 预处理填料

    是将适量的纯硅烷或硅烷溶液喷洒到充分搅拌的填料上或使用其他载体添加到填料中再充分混炼，以确保硅烷有效且完整分散，使硅烷有最佳处理效果。为了将反应的副产物、溶剂或水除去，以及确保硅烷与填料表面键结完全，必要时可加温处理。硅烷溶液分为水溶液与有机溶剂溶液。

6.1.1 水溶液

    即将硅烷溶于水中配成一定质量分数的溶液。对于溶解性差的硅烷可事先在水中加入0.1%非离子型表面活性剂配成水乳液。不同硅烷的水溶液稳定性相差很大，如长链烷基与芳香基硅烷只能稳定几个小时而氨基硅烷可稳定几周。配制硅烷水溶液时不能使用含有氟离子的水。

6.1.2 有机溶剂溶液

    可使用醇、酮、酯及烃类做溶剂，配制成质量分数在1%~5%的浓度。为使硅烷进行水解溶剂中还需加入少量水，甚至可加入少许乙酸作水解催化剂。一般是将填料置于高速混合器内，在搅拌下泵入呈细雾状的硅烷溶液，处理20分钟即可。

6.1.3 其他载体

    硅烷以高浓度形式（浓度超过70%）被吸附在一个载体上（如天然石蜡或合成蜡、硅胶、硅酸酯或多孔聚合物），再将载体与填料混合。

6.2 硅烷与填料共同加入聚合物，或先加入聚合物

    此法要求聚合物不可过早与硅烷反应，以免降低其作用，在物料固化前，硅烷必须从聚合物迁移到填料表面，随后完成水解缩合反应。因此硅烷与聚合物填料混炼后必须放置一段时间以完成迁移过程，然后再进行固化。此法对于在成型前树脂及填料需经混匀搅拌处理的体系尤方便有效。

7 适合用硅烷处理的填料

    要达到最好的效果，填料表面拥有的化学活性很重要，做好是羟基，所有含硅酸盐的填料、无机金属氧化物和氢氧化物都非常适合用硅烷处理表面。

    表六：部分填料与硅烷的反应性

反应性受到各种不同因素的影响。例如填料的表面结构、硅烷的浓度、填料表面的残留水份。