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钛酸酯偶联剂

基本属性 偶联剂的分类与作用钛酸酯偶联剂分子结构及作用机理单烷氧基钛酸酯偶联剂焦磷酸型钛酸酯偶联剂配位型偶联剂螯合型偶联剂使用量和注意事项 用途与合成方法 供应商 相关产品
钛酸酯偶联剂
钛酸酯偶联剂 用途与合成方法
  • 偶联剂的分类与作用偶联剂能改善高分子材料与填料之间界面特性,是一类具有两性结构的物质,它们分子中的一部分基团可与无机物表面的化学基团反应,形成牢固的化学键合,另一部分基团则有亲有机物的性质,可与有机物分子反应或物理缠绕,从而把两种性质不相同的材料牢固结合起来。这就使来源广泛、价格便宜或性能特异的无机物作为塑料的填充剂或增强剂使用,不仅可以降低塑料的成本,而且赋予制品其它宝贵的性能,如提高力学性能,制品尺寸稳定等,扩大塑料的应用范围。
    偶联剂有很多种,常用的有钛酸酯、铝酸酯、硅烷等品种。
    (1) 钛酸酯偶联剂分子中含有一个烷氧基和三个长链分子结构单元,当偶联剂与粉状填料作用时,烷氧基夺取填料表面的质子,该质子来源于填料中的结合水,包括结晶水、化学吸附水和物理吸附水,而形成化学键,在填料的表面上覆盖偶联剂的分子层。而偶联剂另一端的三个长链分子结构单元可与聚合物分子发生化学交联或物理缠绕,最终把无机填料和聚合物很好的结合起来,提高了材料的拉伸强度、伸长率和冲击强度。同时偶联剂的作用降低了填料的表面能,提高了填料在树脂中的分散能力,降低了填充体系的粘度,增加了填充量,减小了机械磨损,节约了动力消耗,也降低了成本。
    (2) 硅烷偶联剂是应用最广的偶联剂,它的结构通式为Rsix3,R系与聚合物分子有亲合力或反应能力的活性官能团,如氨基、巯基、乙烯基、环氧基、氰基、甲基丙烯酰氧基等,x为能够水解的烷氧基,作为偶联剂使用时,x基首先水解形成硅醇,然后再与填料表面上的羟基反应。
    (3) 由于硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂大多数产品为液体状,这给在高混机中加入带来麻烦,这些产品的颜色也会影响填充改性母料,所以,铝酸酯偶联剂和固体蜡状呈浅白色的新型复合偶联剂,由于固体蜡状材料易计量添加,使用方便,色泽浅白,已受到碳酸钙等无机粉体改性材料生产厂家的青睐。
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  • 钛酸酯偶联剂分子结构及作用机理钛酸酯偶联剂的分子结构可划分为6个功能区,每个功能区都有其特点,在偶联剂中发挥各自的作用。
    钛酸酯偶联剂的通式和6个功能区
    图1为钛酸酯偶联剂的通式和6个功能区 式中1≤M≤4,M+N≤6;R——短碳链烷烃基;R′——长碳链烷烃基;X——C、N、P、S等元素;Y——羟基、氨基、双键等机团。
    功能区1——(RO)M为与无机填料、颜料偶联作用的机团。钛酸酯偶联剂通过该烷氧基团与无机颜料或填料表面的微量羟基或质子发生化学吸附或化学反应,偶联到无机颜料、填料表面形成单分子层,同时释放出异丙醇。
    功能区2——Ti—O……酯基转移和交联基团。某些钛酸酯偶联剂能够和有机高分子中的酯基、羧基等进行酯基转移和交联,造成钛酸酯、填料或颜料及有机高分子之间的交联,促使体系黏度上升呈触变性。
    功能区3——X—连接钛中心的基团。该基团包括长链烷氧基、酚基、羧基、硫酸基、磷酸基、焦磷酸基等。这些基团决定钛酸酯偶联剂的特性与功能,如磺酸基赋予一定的触变性,焦磷酸具有阻燃、防锈、增加黏结性以及亚磷酸配位基具有抗氧化功能等。通过这部分基团的选择,可以使钛酸酯偶联剂兼有多种功能。
    功能区4——R为长链的纠缠基团。长的脂肪族碳链比较柔软,能和有机基料进行弯曲缠绕,增强和基料的结合力,提高它们的相容性,改善无机填料、颜料和基料体系的熔融流动性和加工性能,缩短混料时间,增加无机填料的填充量,并赋予柔韧性及应力转移功能,从而提高延伸、撕裂和冲击强度。
    功能区5——Y为固化反应基团。当活性基团联结在钛的有机骨架上,就能使钛酸酯偶联剂和有机聚合物进行化学反应而交联。例如,不饱和双键能和不饱和树脂进行交联,使无机填料、颜料和有机基料结合。
    功能区6——N为非水解基团数。钛酸酯偶联剂中非水解基团的数目至少具有两个以上。在螯合型钛酸酯偶联剂中具有2个或3个非水解基团;在单烷氧基型钛酸酯偶联剂中有3个非水解基团。由于分子中多个非水解基团的作用,可以加强缠绕,并因碳原子数多可急剧改变表面能,大幅度降低体系的黏度。
  • 单烷氧基钛酸酯偶联剂钛酸酯偶联剂按其化学结构可分为3种类型:即单烷氧基型、螯合型和配位型。
    单烷氧基钛酸酯偶联剂品种最多的一类,具有各种功能基团和特点,使用范围极广,价格适中,广泛应用于塑料、橡胶、涂料、胶粘剂工业。
    本品外观为酒红色黏稠液体,pH为3,分解温度是 260℃,密度为0.976g/cm~((3),闪点是178℃,折射率为1.447。遇水易水解,可溶于有机溶剂。
    (1)单烷氧基钛酸酯偶联剂与半极性材料有较好的相容性,起到分子间的桥架作用,可改善复合材料的机械强度,能显著提高复合材料的各种力学性能,可用于表面处理碳酸钙、滑石粉、颜料等无机材料,增加填料的加入量,降低树脂的用量,从而降低了复合材料的成本。
    (2)单烷氧基钛酸酯偶联剂用于聚丙烯、聚乙烯等树脂中有较为明显的效果,能增强制品的抗冲击强度、韧性和耐腐蚀性,增加流动性,从而改善了制品的加工性能。
    (3)单烷氧基钛酸酯偶联剂用于磁性材料时,经偶联剂处理的磁粉,可在树脂中的分散性更好,能提高磁粉的填充量,增加磁性材料的流动性,使制品的韧性加强,提高磁性产品的质量。
    单烷氧基钛酸酯偶联剂与无机粉体的作用机理
    图2为单烷氧基钛酸酯偶联剂与无机粉体的作用机理图
  • 焦磷酸型钛酸酯偶联剂焦磷酸型钛酸酯偶联剂产品的外观为半透明黄色黏稠液体,pH为2,分解温度是210℃,密度为1.050g/cm3,闪点是130℃,折射率为1.465。这类品种比一般单烷氧基型钛酸酯耐水性好,适用于中等含水量的无机粉体的表面处理,但比螯合型钛酸酯的耐水性差。它在涂料中的应用很广,能明显提高炭黑、酞青蓝、铁红、中铬黄等多种颜料在基料中的分散性、防沉性和储存稳定性,缩短研磨次数和时间,改善涂膜的附着力和外观质量,且具有阻燃、耐腐蚀、增加黏结性和催化固化等功效。
    本品可改善复合材料的机械强度,提高无机填料与树脂的相容性,主要处理碳酸钙、滑石粉、颜料等无机材料填充的聚氯乙烯、聚酰胺等树脂,提高填料的加入份数,降低树脂的用量,可降低复合材料的成本。应用在橡胶制品中,能提高制品的抗撕裂强度、断裂伸长率、拉伸强度,能增加材料的流动性和耐老化性。用于涂料中,可降低体系黏度,提高固体填充量,增加流平性,同时赋予涂料良好的耐磨性和抗腐蚀性。此外焦磷酸型钛酸酯偶联剂还可用于Al(OH)3填充玻璃纤维增强聚酯玻璃钢,提高制品的阻燃性。
    焦磷酸酯型钛酸酯偶联剂吸湿作用机理
    图3为焦磷酸酯型钛酸酯偶联剂吸湿作用机理
  • 配位型偶联剂配位型偶联剂是以2个以上的亚磷酸酯为配体,将磷原子上的孤对电子移到钛酸酯中的钛原子上,形成2个配价键,以OTDLPI-46(KR-46)为例,其分子结构式为:
    配位型偶联剂 OTDLPI-46(KR-46)
    从上式中可见,钛原子由4价键转变为6价键,降低了钛酸酯的反应活性,提高了耐水性。因此,配位型钛酸酯偶联剂耐水性好,可在溶剂型涂料或水性涂料中使用。配位型钛酸酯偶联剂多数不溶解于水,可以直接高速研磨使之乳化分散在水中,也可以加表面活性剂或亲水性助溶剂使它分散在水中,对无机粉体进行表面处理。
  • 螯合型偶联剂美国KENRICH公司将螯合型钛酸酯偶联剂分成两个系统,一个系统是含有氧乙酸螯合基的产品,称螯合100型;另一种是含有乙二醇螯合剂的产品,称为螯合200型。
    螯合型钛酸酯的耐水性较好,具有高度水解稳定性,可应用在很潮湿的填料体系的无机粉体的表面处理,如湿法沉淀二氧化硅、滑石粉、玻璃纤维、补强炭黑等。
    (1)螯合100型。以二(焦磷酸辛酯)羟乙酸钛酸酯CTDPP-138S(KR-138S)为例,它具有与TTOPP-38S同样的耐腐蚀、阻燃及黏结性好的特性,而且耐水性比TTOPP-38S更好。它既可溶解在甲苯、二甲苯等溶剂中包覆改性无机粉体,也可用烷醇胺或胺类试剂季铵盐化后溶解在水中包覆改性无机粉体。通常使用的胺类试剂有2-二甲胺基-2-甲基-1-丙醇(DMAMP-80)、三乙醇胺、三乙胺等。
    (2)螯合200型。以二(磷酸二辛酯)钛酸乙二(醇)酯ETDOP-212S(KR-212S)为例,这类钛酸酯的耐水性好,既可溶于有机溶剂中包覆改性无机粉体,也可用烷醇胺或胺类试剂季胺盐化后溶解在水中包改性无机粉体。
  • 使用量和注意事项钛酸酯偶联剂的用量是要使钛酸酯偶联剂分子中的全部异丙氧基与无机粉体表面所提供的羟基或质子发生反应,过量是没有必要的。钛酸酯偶联剂的大致用量为填料或颜料用量的0.1%~3.0%。被处理的填料或颜料的粒度越细,比表面积越大,钛酸酯偶联剂的用量就越大。最适当的用量可以用黏度测定法求得;高熔点的聚合物通常用低分子量的液体,如矿物油代替做模型试验,钛酸酯用量从填料质量的0、0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.5%、2.0%及3.0%等做试验,黏度下降最大点,就是较适合的钛酸酯偶联剂的用量。
    钛酸酯偶联剂在使用过程中应特别注意以下几个问题:
    (1)严格控制温度、防止钛酸酯偶联剂分解。
    (2)尽量避免与具有表面活性剂的助剂并用,因为它们会干扰钛酸酯偶联剂在界面上的偶联反应。如果必须使用这些助剂时,应在无机粉体、偶联剂和聚合物基料充分混合后再加入这些助剂。
    (3)多数钛酸酯偶联剂能不同程度地与酯类增塑剂发生酯交换反应。因此,加药顺序应注意避免首先与酯类增塑剂接触,以避免发生副反应而失效。
    (4)注意均匀分散。只有钛酸酯偶联剂的均匀分散和与无机粉体颗粒的均匀作用才能达到均匀包覆改性和减少钛酸酯偶联剂的用量。
    (5)注意技术结合,提高偶联效果。如钛酸酯偶联剂与其他表面改性剂的并用能产生协同效应和降低改性成本。
  • 用途 用于聚烯烃、聚氯乙烯树脂、合成橡胶、涂料等高分子材料中
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