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无机填料与有机材料的“粘合剂”:偶联剂
2020年04月02日 发布 分类:粉体入门 点击量:1608
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让无机填料与聚合物基体更亲密的秘诀~

在工业上广泛可见这样的应用场景,将无机粉体材料添加/填充到有机材料基体中,或起到降低成本,或起到增强有机材料原有“体质”的作用,或起到赋予有机材料新的技能的用途......

填料应用场景举例

如氧化铝、氮化硼可作为塑料填料,使塑料具有良好的导热性能而且同时具有电绝缘性能;滑石粉可作为塑料填料,提高塑料制品的电绝缘性、抗酸性耐火性等;云母可作为塑料增强填料,提高塑料制品的弯曲弹性模量和拉伸弹性模量;高岭土具有优良的电绝缘性能和一定的阻燃作用,可作为聚氯乙烯等聚烯烃绝缘电线包皮;石英对热塑性树脂和热固性树脂具有较高的补强作用,并且能提高材料的强度与刚度,对提高塑料制品的电绝缘性也能起一定的作用;金红石型二氧化钛作为塑料填料可增大光的反射率,起到光屏蔽剂的作用;赤泥、粉煤灰均为塑料填料,既可消除污染,又可降低塑料制品成本......

 

填料的应用,让电线电缆更安全可靠

相容性不好后果很严重

然而,无机粉体材料一般是极性或强极性的亲水矿物,与具有非极性的疏水的的表面的有机聚合物基体相容性差,如果直接将两者混合那么在后续成型加工过程中,由于基体的冷却收缩率大于无机填料,基体与填料的界面容易发生脱离,形成环隙或缝隙。其结果是,无机填料不仅没有补强效果,反而由于材料的内部行成微孔而使其力学性能下降。对填料采取适当的表面处理,可以增强填料与基材的界面强度,发挥出复合材料的最大优势。可用于填料表面处理剂有很多种,例如偶联剂、高分子表面活性剂、有机高分子等,本文将大家简单介绍在填充体系中使用量最多的“偶联剂”。

 

常见的偶联剂类型

什么是偶联剂?偶联剂是一类具有两性结构的物质,它的分子中的一部分基团可与无机材料表面的化学基团反应,形成化学键合;另一分部基团则有亲有机物的性质,可与有机分子发生化学反应或产生较强的分子间作用,从而可将两种性质截然不同的材料牢固地结合起来。由于大多数偶联剂对填料表面处理时都能发生化学作用,因此效果都非常好,可有效改善无机填料在聚合物基体中的分散状态,提高填充聚合物材料的力学性能和使用性能。

偶联剂按其化学结构可分为:硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、锆酸脂偶联剂、双金属偶联剂(铝-锆酸脂、铝钛复合偶联剂)、稀土偶联剂、含磷偶联剂、含硼偶联剂等。其中硅烷偶联剂是人们研究最早、应用最早的偶联剂,钛酸酯偶联剂最早出现与20世纪70年底,它对许多干燥粉体有良好的偶联效果。下文将对生产中经常使用的偶联剂及其应用情况进行简单介绍。

1、硅烷偶联剂

硅烷偶联剂之所以这样称呼,是因为其中心原子是硅(Si),其分子结构为:R-Si-X3,式中R为疏水基,如乙烯基、环氧基、氨基、甲基丙烯酸酯、硫酸基等;X是能水解的亲无机集团,如烷氧基,甲氧基,乙氧基及氯等。其添加量一般为填料的1%左右。

填料。硅烷偶联剂可用于许多无机填料,其中在含硅酸成分多的玻璃纤维;石英粉剂摆摊黑种效果最好,在陶土和水合氧化铝中次之,对不含游离水的碳酸钙中效果欠佳。

基体。硅烷偶联剂的有机基对聚合物的反应有选择性,例如氨基可与环氧树脂、酚醛树脂、尼龙、乙烯基聚合物或一些热固性弹性体反应,但多数硅烷偶联剂由于结构中的反应性集团多,与填料表面的反应点多,而另一端的有机疏水基含碳原子数少,链短,因此在热塑性塑料为基体树脂的填充塑料中,采用硅烷偶联剂往往对填充体系的加工流动性能带来不利的影响,加之硅烷偶联剂与其他中偶联剂相比要昂贵的多,因此硅烷偶联剂在聚乙烯中用量不多,而其主要应用于环氧或不饱和聚酯等热固性塑料中。

2、钛酸酯偶联剂

根据钛酸酯偶联剂结构的不同,可大致将其可分为四类单烷氧基型、单烷氧基焦磷酸酯型、整合型和配位体型。钛酸酯的用量通常为填料用量的0.5%。

基体。钛酸酯偶联剂适用范围广,在热塑性塑料、热固性塑料及橡胶等填料体系中都具有较好的偶联效果。

填料。钛酸酯偶联剂可以用来处理各种无机填料,如碳酸钙、滑石粉、硫酸钡及氢氧化铝等。

3、铝酸脂偶联剂

铝酸酯偶联剂具有色浅、无毒、适用方便等特点,热稳定优于钛酸酯偶联剂,价格仅为钛酸酯偶联剂的一半。铝酸酯偶联剂与钛酸酯偶联剂一样,对体系填充量增加有益,可有效降低填充体系的粘度,改善树脂的加工性能。

铝酸脂偶联剂的用量一般为填充体系中所用填料质量的0.3~1.0%,对于注射或挤出聚乙烯硬制品,用量为填料的1.0%左右。其他工艺制品、软制品及发泡制品,用填料量的0.3-0.5%。使用高比表面的填料,如氢氧化铝、氢氧化镁、白炭黑等可用1.0%--1.3%。

4、其他偶联剂

锆类偶联剂。这类偶联剂不仅可以促进无机物和有机物的结合,还能改善填料体系的的性能,它的特点是能显著降低填料体系的粘度,抑制填料粒子间的相互作用,从而提高填料在体系中的分散性和增加填充量。它对碳酸钙、二氧化硅、氧化铝、氧化钛及陶土等填充体系有良好的改性效果,主要应用于聚烯烃、聚酯、环氧树脂,合成橡胶等不同的聚合物填充体系。

有机铬类偶联剂。这是一类比较比较成熟的偶联剂品种,它是不饱和有机酸与三价铬原子形成的配价型金属络合物,在玻璃纤维增强塑料中,具有较好的使用效果。有机铬偶联剂使用成本低,但品种单调,使用范围和偶联效果不及硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂,更重要的重铬离子(生物毒性显著的重元素)毒性会带来环境污染,因此用量在减少

5、复合偶联剂

铝钛复合偶联剂。以铝代替了部分作为偶联剂的中心原子,减少了偶联剂价格较高的钛的含量,是成本得以降低。它兼有钛系、铝系偶联剂的特点,偶连效果优于单一的钛酸酯、铝酸酯以及两者简单的混合物。

铝锆酸酯偶联剂。这类偶联剂是含铝、锆元素的有机络合物的低聚物,铝锆酸脂类偶联剂具有价格低(约为硅烷偶联剂的一半),应用效果好(具有良好的水解稳定性),热稳定好的特点(可耐热到300℃)。

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