在复合材料制备过程中，常需将亲水性极性的无机填料分散到疏水性非极性的有机基料中，为了增加无机物与有机高分子之间的亲合性，一般要用偶联剂或其它表面活性剂等对无机物粉体进行表面处理，使它由亲水变为疏水性，从而促进无机物和有机物之间的界面结合。偶联剂与表面活性剂都是常见的粉体表面改性剂，它们都有两亲结构，两者有何不同，下文一起来盘一下。

一、关于偶联剂

偶联剂是一类具有两种不同性质官能团的物质，其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；另一个是亲有机物的基团，能与合成树脂或其他聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中。偶联剂的功能定位是通过将无机和有机这两种性能差异较大的材料界面进行偶联，改善它们之间的黏附性能，从而显著提升复合材料的整体性能，如物理性能、电性能、热性能、光性能等。这种改善既是指真正粘接力的提高，也可能是指浸润性、流变性和其他操作性能的改善；它还可能影响复合材料界面区域形态变化而改进力学性能，以增强有机相与无机相的边界层。

偶联剂对填料/塑料相容性的影响

A无偶联剂 B有偶联剂

偶联剂种类。偶联剂的种类繁多‚主要有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、双金属偶联剂、磷酸酯偶联剂、硼酸酯偶联剂、铬络合物及其它高级脂肪酸、醇、酯的偶联剂等。目前应用范围最广的是硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂。选用偶联剂的基本原则是，酸性填料应使用含碱性官能团的偶联剂，而碱性填料应该用含酸性官能团的偶联剂。

硅烷偶联剂的结构及机理。硅烷偶联剂的通式为RnSiX_(4-n)，式中R为非水解的、可与高分子聚合物结合的有机官能团，根据高分子聚合物的不同性质‚R应与聚合物分子有较强的亲和力或反应能力：如甲基、乙烯基、氨基、环氧基、巯基、丙烯酰氧丙基等；X为可水解基团，遇水溶液、空气中的水分或无机物表面吸附的水分均可引起分解，与无机物表面有较好的反应性，典型的X基团有烷氧基、芳氧基、酰基、氯基等。

硅烷偶联剂由于在分子中具有这两类化学基团，因此既能与无机物中的羟基反应，又能与有机物中的长分子链相互作用起到偶联的功效，其作用机理大致分以下3步：①X基水解为羟基；②羟基与无机物表面存在的羟基生成氢键或脱水成醚键③R基与有机物相结合。

钛酸酯偶联剂的结构和机理。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。钛酸酯偶联剂按其化学结构可分为4类：单烷氧基脂肪酸型、磷酸酯型、螯合型和配位体型。

钛酸酯偶联剂的作用功能区域

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。

硅烷类偶联剂是人们研究最早、应用最早的偶联剂。人们最初使用硅烷偶联剂是为了让玻璃纤维增强的树脂基复合材料（玻璃钢）制品性能改进，为适应这一应用需要发展起来的一类新型的具碳官能团的有机硅化合物--有机硅烷偶联剂。

玻璃钢制品具有耐腐蚀性、重量轻、增强效果优越等特点，被广泛用于制造游艇船体、甲板等 图片来源：Haines Signature Boats

偶联剂的三大应用领域。其一是作非交联聚合物体系的交联固化剂，使其实现常温常压固化；其二是材料表面改性剂，赋予防静电、防霉、防臭、抗凝血及生理惰性等性能；其三是异种基体间的弹性桥联剂，即改善两种不同化学性能材料之间的粘接性，达到提高制品的机械、电绝缘、抗老化及憎水等综合性能的目的。

具体应用场景如下：

①用作表面处理剂，以改善填料和树脂的相容性、浸润性和分散性；

②用于无机填料填充塑料时，改善其分散性和黏合性；

③提高胶黏剂和涂料湿态下的黏合力、耐候性，改善颜料的分散性提高耐磨性和树脂的交联；

④用于氟橡胶与金属的黏合密封，具有耐水、耐高温、耐气候等性能；

⑤用于纺织工业，令纺织品柔软丰满，提高其防水性以及对染料的黏合力；

⑥用作难粘材料聚烯烃（如PE、PP）和特种橡胶（如硅胶、EPR、CR、氟橡胶）的黏合促进剂；

⑦提高橡胶制品的机械强度、耐磨性、湿态电气性能和流变性；

⑧提高复合材料湿态物理机械强度、湿态电气性能，并改善玻璃纤维的集束性、保护性和加工工艺。

粉体改性原理--局部化学反应改性。偶联剂是一种具有两性结构的物质，其分子的一端是能与无机超细粒子进行反应，形成强有力化学键的极性基团，另一端的非极性基团能够与有机物发生反应或物理缠结，从而将两种不同性质的材料结合起来，在无机填料和有机物之间形成特殊的“架桥”作用。硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂是普遍使用的两大类偶联剂。

偶联剂通过特定的化学反应生成共价键或离子键使其能在无机材料和有机材料之间形成稳定的界面连接，从而增强复合材料的机械性能、耐候性和化学稳定性。在胶粘剂、涂料、粘接技术等领域，偶联剂可通过特定的化学反应提高材料之间的附着力和耐久性。

二、关于表面活性剂

表面活性剂是这样的一种物质，它能吸附在表（界）面上，在加量很少时即可显著改善表（界）面的物理化学性质；在浓度足够大时，能形成分子有序组合体；从而产生一系列应用功能。表面活性剂所具有的润湿和反润湿，乳化和破乳，分散和凝聚，起泡和消泡以及增溶等一系列作用称为表面活性。

表面活性剂的两个基本的功能及衍生功能。第一个是在表（界）面上吸附，形成吸附膜（一般是单分子膜）；第二个是在溶液内部聚集，形成多种类型的分子有序组合体。从这两个功能出发，衍生出表面活性剂的其他多种功能，详见下图。

表面活性剂各种各样的功能

表面活性剂分子的基本结构。表面活性剂一种具有两亲性结构的化合物：一端为亲水基团，另一端为疏水基团（亲油基团）。亲水基部分的基团种类繁多，差别较大，一般有带电的离子基团和不带电的极性基团之分；疏水基团（亲油基团）通常是碳氢链组成的（但也可能包括硅氧烷基团、氟碳链或其他非极性基团）碳原子一般在8-20之间。表面活性剂分子中主要亲水基和亲油基可见下图。

表面活性剂种类。表面活性剂品种繁多，表面活性剂的分类方法也多种多样，可依据亲水基种类、分子量大小、来源和元素组成以及功能、作用等原则进行分类。常见分类方式是根据亲水基团水解后的电荷性质对表面活性剂分类，具体可分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂。

按表面活性剂亲水基团水解后的电荷性质分类

粉体改性原理--表面包覆改性。表面包覆改性与化学改性方法不同，包覆改性的表面改性剂与粒子表面无化学反应，包覆物与粒子间依靠物理方法或范德华力而连接，该方法几乎适用于各类无机粒子的表面改性。此方法主要利用无机化合物或有机化合物对粒子进行表面包覆，减弱粒子的团聚作用，而且由于包覆物而产生了空间位阻斥力，使粒子再团聚十分困难。用于包覆改性的改性剂有表面活性剂、超分散剂、无机物等。表面活性剂具有两亲特性，亲水基吸附在无机粒子的表面，疏水段包裹在粒子表面形成一层有机膜，从而增加粒子与有机物的相容性。

三、总结

偶联剂独特的两亲结构使其兼具表面活性剂的物理润湿、分散功能，以及通过化学键合带来的强且持久界面结合特性，其主要功能定位是通过化学反应增强不同材料之间的粘附力，尤其在复合材料中用于增强填料与基体之间的结合力。相比之下，表面活性剂的功能定位则主要集中在通过物理吸附的方式降低界面张力、改善基体与分散体的接触性。

参考资料：

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[3]雷彩红，徐睿杰，董智贤，陈大华编著.普通高等教育材料类专业精品教材 塑料材料与助剂[M].北京：中国轻工业出版社，2021.09.

[4]肖进新，赵振国编著.表面活性剂应用原理[M].北京：化学工业出版社，2015.10.

[5]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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