硅微粉表面改性主要是為了解決3個(gè)問題：
一是分散問題；
二是與有機(jī)高分子材料界面結(jié)合的問題；
三是功能化及專用化問題。
要想做好硅微粉表面改性，一定要以表面改性的機(jī)理為依據(jù)，認(rèn)真了解表面改性劑的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，同時(shí)考慮下游有機(jī)高分子制品的基材、主體配方及技術(shù)要求，經(jīng)綜合考慮選擇合理的改性劑，在此基礎(chǔ)上確定表面改性工藝和設(shè)備。
硅烷偶聯(lián)劑是硅微粉表面改性最常用的改性劑，可將硅微粉親水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H有機(jī)性表面，還可提高有機(jī)高分子材料對(duì)其粉體的潤(rùn)濕性，并通過官能團(tuán)使硅微粉與有機(jī)高分子材料實(shí)現(xiàn)牢固的共價(jià)鍵界面結(jié)合。
但是，硅烷偶聯(lián)劑的應(yīng)用效果與選用的種類、用量、水解情況、基材特性、有機(jī)高分子材料的應(yīng)用場(chǎng)合、方法及條件等有關(guān)。所以要使用好硅烷偶聯(lián)劑，就要對(duì)其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及與硅微粉作用的機(jī)理等進(jìn)行認(rèn)真的研究，這樣才能正確的選擇和使用好硅烷偶聯(lián)劑，設(shè)計(jì)和制造出工藝合理的表改性設(shè)備。
1、硅烷偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
硅烷偶聯(lián)劑是一類分子同時(shí)含有兩種不同化學(xué)性質(zhì)基團(tuán)的特殊結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅化合物，可用以下通式表示：
Y-R-SiX3
式中：Y-R為非水解基團(tuán)，X3為可水解基團(tuán)。Y是可以和有機(jī)化合物起反應(yīng)的基團(tuán)（如乙烯基、氨基、環(huán)氧基、疊氮基等），R是短鏈亞烷基（也稱短鏈烷撐基）通過它把Y與Si原子連接起來；X是可以進(jìn)行水解反應(yīng)，并生成Si-OH的基團(tuán)，一般的硅烷偶聯(lián)劑是含有三個(gè)可水解的基團(tuán)。
Y與X是兩類反應(yīng)特性不同的活性基團(tuán)。Y中所帶的基團(tuán)很容易和有機(jī)聚合物中的官能團(tuán)反應(yīng)，從而可以使硅烷偶聯(lián)劑與有機(jī)高分子基料連接。當(dāng)X活性基團(tuán)水解時(shí)，使Si-X能化為Si-OH，而Si-OH與被處理的硅微粉表面的OH形成氫鍵，同時(shí)進(jìn)行加熱，產(chǎn)生縮合脫水反應(yīng)，形成其價(jià)鍵結(jié)合。由此通過硅烷偶聯(lián)劑可將硅微粉體料與有機(jī)高分子材料之間產(chǎn)生一種良好的界面結(jié)合，使兩者可緊密的結(jié)合到一起。
在硅烷偶聯(lián)劑這兩類互異的基團(tuán)中，以Y基團(tuán)最為重要，它對(duì)有機(jī)高分子制品的性能影響很大，起決定偶聯(lián)劑性能的作用。只有當(dāng)Y基團(tuán)能和對(duì)應(yīng)的有機(jī)高分子材料起很好的反應(yīng)效果，才能使其基材的性能得到提高。
一般要求Y基團(tuán)要與有機(jī)高分子材料能很好的相溶，并能起到偶聯(lián)的作用。所以對(duì)不同的有機(jī)高分子材料應(yīng)考慮選擇適當(dāng)?shù)腨基團(tuán)硅烷偶聯(lián)劑。
2、硅烷偶聯(lián)劑與硅微粉的作用機(jī)理
硅烷偶聯(lián)劑比較成熟的作用機(jī)理是化學(xué)鍵結(jié)合理論：硅烷偶聯(lián)劑中含有兩類不同的化學(xué)官能團(tuán)，它的一端能與無機(jī)材料OH反應(yīng)，形成氫鍵，并在一定的條件下縮合、脫水和固化，形成共價(jià)鍵；另一端又能與有機(jī)高分材料結(jié)合，從而使有機(jī)高分子材料-硅烷偶聯(lián)劑-無機(jī)材料之間產(chǎn)生一種良好的界面結(jié)合，將兩種性質(zhì)差異較大的材料牢固的結(jié)合在一起。
▲硅烷偶聯(lián)劑與硅微粉的反應(yīng)過程
該反應(yīng)過程分為四步：
第一步是硅烷偶聯(lián)劑中與Si相連的3個(gè)水解基團(tuán)與水反應(yīng)，生成硅醇；
第二步是硅醇之間脫水，縮合成Si-OH的低聚硅氧烷；
第三步是低聚硅氧烷的Si-OH與硅微粉表面上的OH反應(yīng)，形成氫鍵；
第四步是在加熱的過程中產(chǎn)生縮合、脫水及固化反應(yīng)，達(dá)到與硅微粉形成牢固的共價(jià)鍵結(jié)合。剩下的兩個(gè)Si-OH或者與其它硅烷偶聯(lián)劑中的Si-OH縮合，或者保持游離狀態(tài)。
3、硅烷偶聯(lián)劑的選擇
硅微粉的表面改性技術(shù)是一門與應(yīng)用技術(shù)密切相關(guān)的技術(shù)，從應(yīng)用角度來說是具有很強(qiáng)的針對(duì)性。由于硅烷偶聯(lián)劑的水解效果取決于Si-X，而與有機(jī)高分子材料的反應(yīng)活性則取決于C-Y。因此對(duì)于不同的基材或處理的對(duì)象，選擇合適的硅烷偶聯(lián)劑是至關(guān)重要的。
硅烷偶聯(lián)劑的種類有幾十種：氨基、氯基、鏈烯基、環(huán)氧基、甲基丙烯酰氧基、巰烴基、陽離子基、雙官能團(tuán)等。
選擇方法主要是通過試驗(yàn)預(yù)選，并應(yīng)根據(jù)硅烷偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及與硅微粉作用的機(jī)理，同時(shí)還需綜合考慮下游產(chǎn)品基料的組成及對(duì)硅烷偶聯(lián)劑反應(yīng)的效果等。
另外，硅烷偶聯(lián)劑的選擇還應(yīng)考慮是否選擇兩種以上的偶聯(lián)劑。在有些情況下選擇兩種偶聯(lián)劑是十分必要的，可以起到協(xié)同和多功能化的效果。如選擇了兩種以上的偶聯(lián)劑，還應(yīng)認(rèn)真的考慮哪一種偶聯(lián)劑先加或后加的問題。
4、硅烷偶聯(lián)劑在硅微粉表面改性中的應(yīng)用
01 硅烷偶聯(lián)劑的用量
硅烷偶聯(lián)劑的用量是根據(jù)粉體的比表面積所占的反活性點(diǎn)（如Si-OH）的數(shù)量以及硅烷偶聯(lián)劑覆蓋表面的單分子層、多分子層的厚度等決定的。
一般硅微粉類礦物粉體的Si-OH含量為4-12個(gè)μm2，1mol的硅烷偶聯(lián)劑可以覆蓋約7500m2的粉體表面積。由于硅烷偶聯(lián)劑水解后，其自身也產(chǎn)生縮合反應(yīng)，要影響到計(jì)算用量的準(zhǔn)確性，所以要增加一定的加入量。
硅烷偶聯(lián)劑的用量計(jì)算關(guān)系是：
硅烷偶聯(lián)劑用量（g）=粉體質(zhì)量（g）×粉體表面積（m2/g）/硅烷偶聯(lián)劑的覆蓋面積（m2/g）
02 表面改性工藝的確定原則
根據(jù)所選用的硅烷偶聯(lián)劑與硅微粉反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行確定：
一是首先要將硅微粉進(jìn)行動(dòng)態(tài)加熱到100-110℃，此時(shí)以霧化法加入水解后的硅烷偶聯(lián)劑或復(fù)合偶聯(lián)劑。
二是在硅烷偶聯(lián)劑與反應(yīng)過程中應(yīng)保持一定的反應(yīng)時(shí)間，因不同的反應(yīng)時(shí)間其改性的效果是不同的。這一加熱反應(yīng)過程是脫水、縮合與固化，以使硅烷偶聯(lián)劑與硅微粉形成穩(wěn)定和牢固的共價(jià)鍵結(jié)合。
三是經(jīng)偶聯(lián)劑改性的粉體，都會(huì)產(chǎn)生假結(jié)顆粒和縮合后產(chǎn)生的硬顆粒，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來了很大的影響，所以一定要進(jìn)行有效分級(jí)，只有這樣才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量。
03 表面改性設(shè)備的選擇
硅微粉表面改性設(shè)備的選擇，應(yīng)根據(jù)其表面改性機(jī)理所確定的加工工藝為基準(zhǔn)，選擇和配套無污染的表面改性設(shè)備。目前前國(guó)內(nèi)的表面改性設(shè)備比較多，但是有些表面改性設(shè)備沒有遵循硅微粉表面改性的機(jī)理及工藝要求等制造的，造成表面改性的效果不好，因此要對(duì)購(gòu)置的改性設(shè)備進(jìn)行改造和配套后才能達(dá)到較好的效果。
表面改性設(shè)備的選擇是硅微粉表面改性至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在選擇表面改性設(shè)備時(shí)應(yīng)考慮滿足以下幾點(diǎn)要求：
一是表面改性設(shè)備能將硅微粉在動(dòng)態(tài)狀況下加熱并保溫，保溫時(shí)間能夠自動(dòng)控制。
二是要有排氣裝置，可將表面改性前后脫除的水以蒸氣的方式排出，使硅烷偶聯(lián)劑與粉體產(chǎn)生縮合反應(yīng)，達(dá)到形成共價(jià)鍵的效果。
三是保證硅微粉在表面改性機(jī)中處在高速動(dòng)態(tài)的狀況下。
四是表面改性設(shè)備應(yīng)滿足表面改性劑分加的要求。
五是為解決表面改性中產(chǎn)生的假團(tuán)聚和硬團(tuán)聚體，一定要進(jìn)行有效的分級(jí)，應(yīng)有專用的分級(jí)設(shè)備進(jìn)行配套。
5、未來該怎么發(fā)展？
目前，國(guó)產(chǎn)的活性硅微粉產(chǎn)品因其只用硅偶聯(lián)劑簡(jiǎn)單的混合處理，效果不夠理想，粉體與樹脂混合時(shí)很容易團(tuán)聚，而國(guó)外有許多專利提出了對(duì)硅微粉的活性處理，例如德國(guó)專利提出用聚硅烷和硅微粉混合，并在紫外線照射下攪拌，獲得活性硅微粉；日本專家提出硅烷二醇衍生物處理硅微粉，并在混合過程中加入催化劑，使偶聯(lián)劑對(duì)粉體的包裹均勻，從而能使環(huán)氧樹脂能與硅微粉達(dá)到理想的結(jié)合效果。
因此，我國(guó)硅微粉生產(chǎn)廠家在表面改性的道路上任重道遠(yuǎn)，不僅需要上游偶聯(lián)劑廠家的密切配合，更需要下游應(yīng)用廠家的通力合作。只要解決改性的技術(shù)難題，活性硅微粉的市場(chǎng)將非常值得期待。
技術(shù)咨詢和交流：18701083278（微信同號(hào)）
部分資料來源：硅烷偶聯(lián)劑用于硅微粉表面改性的機(jī)理及應(yīng)用；硅微粉填料在覆銅板中應(yīng)用的展望
編輯整理：粉體技術(shù)網(wǎng)
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