实验3 硅烷偶联剂的水解实验_精细化工实验与设计-QQ阅读男生玄幻网

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实验3　硅烷偶联剂的水解实验

偶联剂是一种具有两亲结构的有机化合物，它可以使性质差别很大的材料紧密结合起来，从而提高复合材料的综合性能。常用的偶联剂有硅烷偶联剂、钛酸偶联剂、铝酸酯偶联剂等，其中硅烷偶联剂是品种最多、用量最大的一种偶联剂。硅烷偶联剂在很多材料的表面偶联过程中需要分子中的烷氧基进行水解形成羟基而起作用。

本实验采用电导率法测定硅烷偶联剂水解进行的程度，属于综合性实验，计划6学时完成。

实验目的

① 了解硅烷偶联剂的作用。

② 掌握硅烷偶联剂的水解原理。

③ 掌握硅烷偶联剂的水解工艺过程。

实验原理

硅烷偶联剂是一种具有特殊结构的有机硅化合物。在它的分子中，同时具有能与无机材料（如玻璃、水泥、金属等）结合的反应性基团和与有机材料（如合成树脂等）结合的反应性基团。因此，通过硅烷偶联剂可使两种性能差异很大的材料界面偶联起来，以提高复合材料的性能和增加粘接强度，从而获得性能优异、可靠的新型复合材料。硅烷偶联剂广泛用于橡胶、塑料、胶黏剂、密封剂、涂料、玻璃、陶瓷、金属防腐等领域。事实上，硅烷偶联剂已成为材料工业必不可少的助剂之一。

硅烷偶联剂是由硅氯仿（HSiCl₃）与带有反应性基团的不饱和烯烃在铂氯酸催化下加成，再经醇解而得。它在国内有KH-550、KH-560、KH-570、KH-792、DL-602、DL-171等几种型号。硅烷偶联剂分子中含有两种不同的反应性基团，其化学结构可以用Y—R—SiX₃表示，式中X和Y反应特性不同；X是可进行水解反应并生成硅羟基的基团，如烷氧基、乙酞氧基、卤素等，其中常见的为烷氧基，X具有与玻璃、二氧化硅、陶土、一些金属（如铝、钛、铁、锌等）键合的能力；Y是可以和聚合物起反应从而提高硅烷与聚合物的反应性和相容性的有机基团，如乙烯基、氨基、环氧基、巯基等；R是具有饱和或不饱和键的碳链，通过它把Y与Si原子连接起来。正是由于硅烷偶联剂分子中存在亲有机和亲无机的两种官能团，因此可作为连接无机材料和有机材料的“分子桥”，把两种性质悬殊的材料连接起来，即形成无机相-硅烷偶联剂-有机相的结合层，从而增加树脂基料和无机颜料、填料间的结合。

硅烷偶联剂在提高复合材料性能方面的显著效果，虽早已得到确认，但对于偶联剂的作用机理，至今还没有一种理论能够解释所有的事实。人们提出的理论，对于某一方面或某个偶联剂来说是很成功的，但对除它之外的就无能为力了。这些充分说明了硅烷作用机理的复杂性。目前有关硅烷在材料表面行为的理论主要有化学键合理论、物理吸附理论、表面浸润理论、可逆水解平衡理论、酸碱相互作用理论等，其中大家最熟悉、应用最多的是化学键合理论。

化学键合理论认为，硅烷含有的两种不同化学官能团，一端能与无机材料如玻璃纤维、硅酸盐、金属及其氧化物表面的羟基反应生成共价键，另一端能与树脂生成共价键，从而使两种性质差别很大的材料“偶联”起来，起到提高复合材料性能的作用。具体的化学键合理论的作用机理可以用以下四步反应模型解释：①与硅相连的3个Si—X基团水解成Si—OH；②Si—OH之间脱水缩合成含Si—OH的低聚硅氧烷；③低聚物中的Si—OH与基材表面上的羟基形成氢键；④加热固化过程中伴随脱水反应而与基材形成共价键连接。一般认为，在界面上硅烷偶联剂的硅羟基与基材表面只有一个键合，剩下两个Si—OH或者与其他偶联剂中的Si—OH缩合，或者呈游离状态。具体的化学键合理论模型如图2-2所示。

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图2-2　硅烷偶联剂化学键合理论模型

硅烷水解程度的检测是水解工艺中的一个难点，常规化学反应测定方法和某些对体系产生干扰的测定方法，均会导致水解平衡的破坏，不能有效监测硅烷的水解程度。研究表明，光学测定法和电导率测定法能直接在线监测硅醇生成，不对体系带来干扰和破坏，其中，电导率测定法设备简单、操作方便。又因硅烷与去离子水的电导率很低，而水解产物硅醇和醇的电导率较高，即使溶剂中采用了醇，因其在反应前后量不变而对体系电导率变化无影响，所以硅烷体系在水解过程中电导率会逐渐增大，一定时间后反应达到平衡，相应电导率值也稳定在某一值，这表明水解已达平衡，此时硅醇含量为该水解条件下的最大量。因此，本实验采用电导率法在线检测硅烷的水解程度。

本实验选择硅烷偶联剂KH-550（γ-氨丙基三乙氧基硅烷）进行水解实验，利用电导率法检测水解程度。方程式如下：