很多無機粉體材料,尤其是石英粉、粘土礦粉、滑石、云母、硅灰石等天然非金屬礦粉體材料 ,是橡膠、塑料工業(yè)的重要填料。在橡膠、塑料基體中, 加入上述非金屬礦粉體填料后形成的復合材料，其力學性能在很大程度上受填料和橡膠、塑料基體兩相間應力傳遞的控制。這種傳遞要通過兩相的界面，因而界面性質(zhì)會影響復合材料的性質(zhì)。復合材料的破壞往往是從弱的界面處開始的，提高界面間的粘結(jié)強度是提高復合材料強度的關鍵。無機非金屬礦物填料與橡膠、塑料基體是兩種性質(zhì)上完全不同的材料，它們之間存在著很大程度上的不相容性。直接使用這些礦物粉體作填料，其界面間易產(chǎn)生剪切應力，最終影響復合材料的性能。因此，作橡膠、塑料填料的非金屬礦粉體，通常需要對其進行表面改性處理，而無機礦物類粉體最適合的改性劑，通常用硅烷類偶聯(lián)劑。

　　1、硅烷偶聯(lián)劑的結(jié)構 　　

　　硅烷偶聯(lián)劑是一類分子同時含有兩種不同化學性質(zhì)基團的特殊結(jié)構的有機硅化合物，它們可用以下通式表示：

　　Y — R — SiX3

　　式中：Y — R 為非水解基團，

　　X3 為可水解基團。

　　Y是可以和有機化合物起反應的基團（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是可以進行水解反應，并生成S I - O H的基團，一般硅烷偶聯(lián)劑含有三個可水解基團。

　　Y 與 X 是兩類反應特性不同的活性基團。Y 中所帶的基團很容易和有機聚合物中的官能團反應，從而可以使硅烷偶聯(lián)劑與有機高分子基料連接。當X活性基團水解時，使 Si — X能化為Si — OH，而 Si — OH與被處理的無機粉體表面的OH形成氫鍵，同時進行加熱，產(chǎn)生縮合脫水反應，形成其價鍵結(jié)合。由此通過硅烷偶聯(lián)劑可將無機粉體材料與有機高分子材料之間產(chǎn)生一種良好的界面結(jié)合，使兩者可緊密地結(jié)合到一起。

　　在硅烷偶聯(lián)劑這兩類互異的基團中，以 Y 基團最為重要，它對有機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Y基團能和對應的有機高分子材料起很好的反應效果，才能使其基材的性能得到提高。一般要求Y基團要與有機高分子材料能很好的相溶，并能起到偶聯(lián)的作用。所以對不同的有機高分子材料應考慮選擇適當?shù)腨基團硅烷偶聯(lián)劑。

　　2、硅烷偶聯(lián)劑與無機粉體的作用機理 　　

　　硅烷偶聯(lián)劑比較成熟的作用機理是化學鍵結(jié)合理論。此理論認為：硅烷偶聯(lián)劑中含有兩類不同的化學官能團，它的一端能與無機材料 O H 反應，形成氫鍵，并在一定的條件下縮合、脫水和固化，形成共價鍵；另一端又能與有機高分子材料結(jié)合，從而使有機高分子材料—硅烷偶聯(lián)劑—無機材料之間產(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)劑與無機粉體的反應過程如下圖。

　　該反應過程分為四步：

　　步是硅烷偶聯(lián)劑中與 Si 相連的3個水解基團與水反應，生成硅醇；

　　第二步是硅醇之間脫水， 縮合成S i — O H 的低聚硅氧烷；

　　第三步是低聚硅氧烷的 Si — OH 與 無機粉體表面上的 OH 反應，形成氫鍵；

　　第四步是加熱的過程中產(chǎn)生脫水及固化，達到與無機粉體形成牢固的共價鍵結(jié)合。

　　3、硅烷偶聯(lián)劑種類及適用對象

　　（1）硅烷偶聯(lián)劑種類

　　根據(jù)分子結(jié)構中R基的不同，硅烷偶聯(lián)劑可分為氨基硅烷、環(huán)氧基硅烷、硫基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、乙烯基硅烷、脲基硅烷以及異氰酸酯基硅烷等。

　　（2）硅烷偶聯(lián)劑適用對象

　　硅烷偶聯(lián)劑可用于許多無機粉體，如填料或顏料的表面處理，其中對含硅酸成分較多的石英粉、玻璃纖維、白炭黑等效果更好，對高嶺土、水合氧化鋁、氧化鎂等效果也比較好，對不含游離酸的鈦酸鈣效果欠佳。

　　（3）硅烷偶聯(lián)劑選擇

　　選擇硅烷偶聯(lián)劑對無機粉體進行表面改性處理時，一定要考慮聚合物基料的種類，也即一定要根據(jù)表面改性后無機粉體的應用對象和目的來仔細選擇硅烷偶聯(lián)劑。

　　4、 硅烷偶聯(lián)劑的使用方法及用量

　　（1）硅烷偶聯(lián)劑使用方法：

　　應用硅烷偶聯(lián)劑的方法有兩種：

　　一種是將硅烷配成水溶液，用它處理無機粉體后再與有機高聚物或樹脂基料混合，即預處理方法，該方法表面改性處理效果好，是常用的表面改性方法。

　　另一種方法是將硅烷與無機粉體（如填料或顏料）及有機高聚物基料混合，即遷移法。

　　多數(shù)硅烷偶聯(lián)劑在使用之前要配成水溶液，即使其預先水解。水解時間依硅烷偶聯(lián)劑的品種和溶液的pH值不同而異，從幾分鐘到幾十分鐘不等。配置時水溶液的pH值一般控制在3-5之間，pH值高于5或低于3將會促進聚合物的生成。因此，已配置好的、已水解的硅烷偶聯(lián)劑不能放置太久，否則會自行縮聚而失效。

　　（2）硅烷偶聯(lián)劑用量計算：

　　硅烷偶聯(lián)劑用量與偶聯(lián)劑的品種及填料的比面積有關，假設為單分子層吸附，可按下式進行計算：

　　硅烷偶聯(lián)劑用量=（填料質(zhì)量×填料比表面積）/硅烷偶聯(lián)劑最小包覆面積

　　硅烷偶聯(lián)劑最小包覆面積與硅烷偶聯(lián)劑的品種不同而異。一般來說，實際用量要小于用上述公式計算的用量。當不知道無機粉體的比表面積數(shù)據(jù)或硅烷偶聯(lián)劑的最小包覆面積時，可將硅烷偶聯(lián)劑用量選定為無機粉體質(zhì)量的0.10%-1.5%。

　　大多數(shù)硅烷偶聯(lián)劑既可以用于干法表面改性，也可以用于濕法表面改性。