粉体表面改性（也称表面改质或表面修饰）是指采用物理或化学方法对粉体的组成颗粒进行表面处理，根据应用的需要有目的地改变其表面物理化学性质、表面形态与结构的工艺，是调控材料性能、拓展应用领域和提高使用价值的重要方法。

图1陶瓷颗粒+硅树脂→导热界面材料

依靠表面改性剂（或处理剂、包覆剂）在粉体颗粒表面的吸附、反应、包覆或包膜来实现的粉体的表面改性是一种主要的表面改性手段。表面改性剂种类很多，常用的改性剂有偶联剂、表面活性剂、有机低聚物、不饱和有机酸、有机硅、水溶性高分子、超分散剂以及金属氧化物及其盐等。本文小编将整理一下表面改性剂里面的偶联剂。

偶联剂分子结构的最大特点是分子中含有化学性质不同的两个基团，一个是亲无机物的基团，易与无机物表面起化学反应（无机粉体）；另一个是亲有机物的基团（聚合物基体），能与合成树脂或其它聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中。因此偶联剂被称作“分子桥”，用以改善无机物与有机物之间的界面作用，从而大大提高复合材料的性能，如物理性能、电性能、热性能、光性能等。

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、锆铝酸盐偶联剂等。

图2偶联剂工作原理：在无机与有机界面形成键合，促进界面融合，增强性能

1、硅烷偶联剂

硅烷偶联剂是人们研究最早、应用最早的偶联剂。由于其独特的性能及新产品的不断问世，使其应用领域逐渐扩大，已成为有机硅工业的重要分支。

硅烷偶联剂的通式为RnSiX(4-n)，式中X代表能够水解的基团，如卤素、酰氧基和烷氧基等；R为非水解的，与聚合物分子有亲和力或反应能力的活性官能团，如氧基、巯基、乙烯基、环氧基、酰胺基、氨丙基等。

硅烷偶联剂对不同种类的无机粉体适应性较强，其中对表面主要含Si-O或Si-OH成分的石英、玻璃纤维、白炭黑等改性效果最好，对表面羟基丰富的高岭土、水合氧化铝、氢氧化镁等效果也较好。

硅烷偶联剂对与其作用的有机聚合物一般具有选择性，如果硅烷和聚合物二者在结构和组分等特性方面相互匹配，则相互作用强；否则相互作用弱，改性粉体就不能取得理想的应用效果。在使用硅烷偶联剂时，为获得较佳的效果，需对每一个特定的应用场合进行试验预选。

表1硅烷偶联剂的主要品种及使用体系

2、钛酸酯偶联剂

钛酸酯偶联剂的分子结构通式为(RO)m—Ti—(OX—R'—Y)，式中，R和R′分别代表短碳链烷烃基和长碳链烷烃基，X代表C、N、P、S等元素，Y代表羟基、氨基和环氧基等双键基团。

图3钛酸酯偶联剂的作用功能区域

在钛酸酯的分子结构中，各元素和基团均具有自己的功能作用。从结构特征上看，钛酸酯偶联剂具有以下6种功能：

功能区1，即（RO）m，为无机粉末与偶联剂中的钛直接进行化学结合；

功能区2，即（O……），具有酯转移和交联功能；

功能区3，即OX，为连接钛中心的基团；

功能区4，即R，为热塑性聚合物的长链缠绕基团，钛酸酯分子中的有机骨架；功能区5，即Y，为热固性聚合物进行交联的反应基；

功能区6，即n，它代表钛酸酯的官能度，n为1~3

钛酸酯偶联剂是一种弱酸性的偶联剂，包括单烷氧基型、焦磷酸异辛酯型、配位型及新烷基型钛酸酯等。其可作为聚烯烃类树脂和合成橡胶等高分子材料的无机填充助剂。

①单烷氧基型

这类偶联剂能在无机粉末和基体树脂的界面上产生化学结合，但它含异丙氧基，耐水性差，只适用于含化学键态及物理键态水的干燥填充剂体系。代表品种：KR-TTS。

图4单烷氧基三羧酸钛偶联剂与无机颗粒的作用机理

②单烷基焦磷酸酯型

该类钛酸酯耐水性好，适用于中等含水量的填充剂体系，如颜料、滑石粉等表面

处理，在这些体系中，除单烷氧基与填充剂表面的羟基发生水解形成偶联外，焦磷酸酯基还可以分解形成磷酸酯基，再结合一部分水。

③配位型

配位型钛酸酯偶联剂的结构通式为(RO)₄—Ti—(OX—R—Y)₂，由该结构式可见，钛原子由4价键转变为6价键，这无疑会降低钛酸酯的反应活性，提高耐水性，因此，它适用于多种无机粉体填料和含水聚合物体系，并可避免4价钛酸酯在树脂等体系中的副反应。

④螫合型

螯合型钛酸酯是指其结构中(RO)m为螯合剂的钛酸酯偶联剂，根据美国Kenrich公司的系统分类，螯合型钛酸酯分为螯合100型和螯合200型两种。

螯合型钛酸酯具有良好的耐腐蚀、阻燃、黏结性和耐水性，适用改性处理含湿量较大的无机粉体。它既可溶解在甲苯、二甲苯等溶剂中，也可用烷醇胺或胺类试剂季胺盐化后溶解在水中使用。

总结：

根据填料等填充剂的水分、粒度、各类钛酸酯的特性以及树脂聚合物的特性决定具体的钛酸酯品种。通常来说，干燥的填充剂多选用单烷氧基型，潮湿的填充剂可选择单烷氧基焦磷异辛酯型、配位型或新烷基型，单烷氧基型是合成其他类型钛酸酯的合成原料，主要由相应的醇与四氯化钛直接反应而成。

一般钛酸酯偶联剂的用量为改性粉体量的0.1%~3.0%。颗粒的粒度越细，粉体比表面积越大，偶联剂的用量就越大，通常可用黏度法探索合适的钛酸酯偶联剂用。量。用钛酸酯偶联剂活化的无机填料改性热塑性聚合物，不仅成型温度低和成型时间短，还能改进制品冲击强度和力学性能。颜料和涂料经钛酸酯偶联剂活化处理后分散性提高，可使制品色泽鲜艳、表面光滑。

3、铝酸酯偶联剂

铝酸酯偶联剂在改善制品的物理性能，如提高冲击强度和热变形温度方面可与钛酸酯偶联剂相媲美；其成本较低，价格仅为钛酸酯偶联剂的一半，且具有色浅、无毒、使用方便等特点，热稳定性能优于钛酸酯偶联剂。

图4铝酸酯偶联剂与无机粉体表面的作用

图5铝酸酯类偶联剂的结构通式

铝酸酯偶联剂常温下为白色固体或浅色液体，可采用预处理法或直接加入法对粉体进行改性。改性时，将粉体加热至110℃左右，然后加入捏碎后的铝酸酯偶联剂，用高速加热混合机或其他表面改性设备进行表面化学包覆改性。铝酸酯偶联剂的用量一般为粉体质量的0.3%～1.0%。如果改性粉体作为注射或挤出成型的塑料硬制品的填料，则其用量为填料质量的1.0%左右。其他工艺成型的制品、软制品及发泡制品，用量为填料质量的0.3%～0.5%。

其他偶联剂

1、铝-锆有机金属络合物偶联剂：由美国Cavedon化学公司于20世纪80年代初开发。由于在铝-锆有机金属络合物偶联剂分子结构中含2个无机部分(锆和铝)和1个有机功能配位体，故其突出的特点在于:分子中无机特性部分的比例大，一般介于57.7%~75.4%，具有更多的无机反应点，可增强与无机填料或颜料表面的作用。

2、有机铬偶联剂：由不饱和有机酸与铬原子形成的配价型金属络合物组成，为络合物偶联剂。它在玻璃纤维增强塑料中偶联效果较好，且成本较低。但其品种单调，使用范围及偶联效果均不及硅烷及钛酸酯偶联剂。

3、稀土偶联剂：稀土元素具有特殊的价电子结构和独特的物理化学特性。稀土化合物在改进塑料加工、使用性能及赋予其新功能等方面具有独特而显著的功效。有研究采用国产新型稀土表面处理剂处理CaCO3，应用于PVC体系，大大提高CaCO3在PVC中的相容性和分散性，体系的力学性能、加工性能得到了明显的改善和提高。

参考资料

[1]先进粉体技术：粉体表面改性与应用，丁浩编著，清华大学出版社

[2]郭云亮，张涑戎，李立平.偶联剂的种类和特点及应用[J].橡胶工业，2003，(11):692-696.

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