【背景及概述】[1][2][4]

偶联剂是一种重要的、应用领域日渐广泛的处理剂．其分子结构的特点是分子中含有化学性不同的2个基团。1个是亲无机物的基团，易与无机物表面起化学反应；另1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。因此偶联剂被称作分子桥，用以改善无机物与有机物之间的界面作用，如物理性能、电性能、热性能和光性能等。偶联剂用于橡胶工业中，可提高轮胎、胶板、胶管、胶鞋等产品的耐磨性和耐老化性能，并且能减小天然橡胶用量，从而降低成本。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、铬络合物及其他高级脂肪酸、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。硅烷偶联剂最早是由美国联合碳化合物公司(UCC)为发展玻璃纤维增强塑料中而开发的，自20世纪中期开发至今，品种相当繁多，仅已知结构的硅烷偶联剂就有百余种之多，成为近年来发展较快的一类有机硅产品。其应用领域主要是用于改善两种性质不同的材料之间的粘接性。使之在两界面之间形成硅烷弹性挢，从而提高制品的机械、电绝缘及抗老化等综合性能。随着高性能和高功能化复合材料的迅速发展，对硅烷偶联剂的性能及其使用技术也提出了新的更 高的要求。比如为使一种偶联剂能适应多种树脂，需要多功能硅烷；为排除填料本身性质 (酸性、碱性等) 对复合材料的影响，需要能够使填料表面钝化的硅烷等等。从而促使研究工作者不断开发多功能新 型硅烷偶联剂，并使从单一使用硅烷偶联剂向同时多种复合使用的方向发展。

硅烷偶联剂a151，化学名为乙烯基三乙氧基硅烷。乙烯基三乙氧基硅烷作为一种有机硅偶联剂广泛地在玻璃纤维制品、塑料工业、电缆、橡胶、陶瓷等工业领域使用，但现有的乙烯基三乙氧基硅烷的生产工艺比较复杂，设备经常发生堵塞，而且有酸性废气、废渣对外排放，使周围环境受到污染，而且还存在有产品质量低、收率低、纯度不高、返酸等不足，使产品在市场上的销售和应用范围受到严重的限制，失去竞争力。因此研发一种具有推广使用价值，而且会产生很好的社会经济效益的制备方法也具有重要意义。

【结构】^[3]

硅烷偶联剂的分子式一般可用RnSiX ，n<4自然数，通式来表示。其特点是分子中具有两种以上不同的反应基团，其中R基团是非水解的可与有机物反应的基团，如乙烯基、烯丙基、氢基、环氧基、琉基、丙烯酰氧丙基等。X 基团是可水解的基团，它是与无机材料反应不可缺少的基团，如甲氧基、乙氧基、酰氧基、芳氧基、叔丁过氧基、氯等，它们水解以后生成Si-OH基，而与无机材料如玻璃、白炭黑、金属等缩合。硅烷偶联剂a151结构如下：

【偶联机理】^[2]

硅烷偶联剂包括硅烷偶联剂a151在提高复合材料性能方面具有显著的效果。但迄今为止，还没有一种理论能解释所有的事实。常用的理论有化学键理论、表面浸润理论、变形层理论、拘束层理论等。其中前两种理论较为普遍。

1. 化学键理论

在硅烷偶联剂的偶联机理中，化学键理论是最主要的理论。该理论认为，硅烷偶联剂含有反应性基团，它的一端能与无机材料表面的羟基或金属表面的氧化物生成共价键或形成氢键，另一端与有机材料形成氢键或生成共价键；从而将无机材料和有机材料的界面有机地连接起来，提高复合材料的各项性能。此外有研究认为硅烷偶联剂在有机材料和无机材料之间的作用，除了化学键和氢键之外，还存在色散力。

2. 表面浸润理论

硅烷偶联剂的表面能较低，润湿能力较高，能均匀地分布在被处理表面，从而提高异种材料间的相容性和分散性。硅烷偶联剂的作用在于改善了有机材料对增强材料的润湿能力。实际上，硅烷偶联剂在不同材料界面的偶联过程是一个复杂的液固表面物理化学过程。首先，硅烷偶联剂的粘度及表面张力低、润湿能力较高，对玻璃、陶瓷及金属表面的接触角很小，可在其表面迅速铺展开，使无机材料表面被硅烷偶联剂湿润；其次，一旦硅烷偶联剂在其表面铺展开，材料表面被浸润，硅烷偶联剂分子上的两种基团便分别向极性相近的表面扩散，由于大气中的材料表面总吸附着薄薄的水层，一端的烷氧基便水解生成硅羟基，取向于无机材料表面，同时与材料表面的羟基发生水解缩聚反应；有机基团则取向于有机材料表面，在交联固化中，二者发生化学反应，从而完成了异种材料间的偶联过程。

【选用原则】^[2]

在硅烷偶联剂分子中，既有亲有机材料的有机基团，又有亲无机材料的可水解基团。其中有机基团对制品的性能影响很大。只有当有机基团能与相应的有机材料反应时，才能提高复合材料的性能。当硅烷偶联剂中的有机基团为非反应性的烷基或芳基时，对极性有机材料不起作用；但可用于非极性材料中。在选择硅烷偶联剂作复合材料的助剂时。除需考虑硅烷偶联剂有机基团的反应性之外。还应考虑硅烷偶联剂与有机材料的相容性以及对胶料贮存稳定性的影响。有时，采用复合硅烷偶联剂或硅烷偶联剂与多种化合物的反应产物效果会更好。

【应用】^[2][4]

乙烯基三乙氧基硅烷及硅烷偶联剂a151作为一种有机硅偶联剂广泛地在玻璃纤维制品、塑料工业、电缆、橡胶、陶瓷等工业领域使用。

1. 硅烷偶联剂用作玻璃纤维的处理剂

硅烷偶联剂早期是作为玻璃纤维的处理剂而开发的，在玻璃纤维增强复合材料中的应用已非常成熟。由于硅烷偶联剂的可水解基团水解后能与玻璃纤维表面的羟基进行脱水缩合反应，生成稳定的硅氧键；而其有机基团能与树脂形成氢键或化学键。因此，经硅烷偶联剂处理过的玻璃纤维可用作大多数热固性树脂及热塑性树脂的增强材料。通过硅烷偶联剂可使性能差异很大的树脂和玻璃纤维实现化学键合，将树脂受到的应力有效地传递给高强度的玻璃纤维，从而提高复合材料的强度。

2. 硅烷偶联剂用作无机粉末填料的表面处理剂

随着硅烷偶联剂新品种的开发与工艺的改进，硅烷偶联剂能够进入更广阔的应用领域。用于复合材料的填料，除纤维状填料外。还有球形和无定形无机粉末填料。无机粉末填料具有价廉易得、粒径均匀等特点；但未经处理的无机粉末填料与树脂的相容性和分散性较差。经过硅烷偶联剂处理后，无机粉末填料与树脂的相容性和分散性大大改善，添加的比例也提高；从而提高了复合材料的性能，降低了成本。

3. 硅烷偶联剂用作胶粘剂、密封剂的增粘剂

硅烷偶联剂广泛用作胶粘剂、密封剂等的增粘剂。它既可用作基材的底涂，又可采用掺混法直接加到橡胶或树脂中。

4. 硅烷偶联剂对橡胶性能的影响

硅烷偶联剂可提高填充橡胶的各项性能。研究硅烷偶联剂用量对硅橡胶硫化特性的影响。发现加入硅烷偶联剂的硅橡胶，其硫化动力曲线的转矩值，比未加硅烷偶联剂的空白胶料的转矩值明显降低；随着硅烷偶联剂用量的增加，硫化速度越来越慢，硫化时间越来越长，转矩值随之下降。有研究以乙烯基硅油为原料，含硅烷偶联剂a151就地处理过的气相法白炭黑为填料，制得高硬度、高强度加成型液体硅橡胶。研究发现硅烷偶联剂a151的用量能显著影响硅橡胶的硫化特性，随着硅烷偶联剂a151用量的增加，硅橡胶胶料的焦烧时间逐渐缩短，而正硫化时间则逐渐延长；硅橡胶的拉伸强度、撕裂强度、电气强度等先增后降，拉断伸长率降低、邵尔A硬度上升，胶料的起始黏度和黏度增长率上升，对硅橡胶的体积电阻率影响不大。

【合成】^[5]

以三乙氧基氢硅和乙炔为原料，在二氯双三苯基磷催化剂的作用下一步加成制得硅烷偶联剂a151，产品收率达75％，物料成本较低，生产过程中不仅无废气氯化氢生成，最站设备没有腐蚀。有着广阀的发展前景。

【主要参考资料】

[1] 邬继荣； 陈利民； 许文东. 新型硅烷偶联剂研究进展. 化工生產與技術， 2009， 16.4： 48-50.

[2] 陈世容； 瞿晚星； 徐卡秋. 硅烷偶联剂的应用进展. 有机硅材料， 2003， 17.5： 28-31.

[3] 杨育珍； 何胜刚. 有机硅烷偶联剂及其应用. 化学工程师， 1994， 5： 40-42.

[4] 孔德雨;陈若成;王汝坤;翟恒泰;孔令弘;王仲安;孔勇.中性乙烯基三乙氧基硅烷的制备方法. CN94114265.5，申请日1994-12-29

[5] 赵明. 乙烯基三乙氧基硅烷合成新工艺的研究. 化学工程师, 1996, 1: 9-10.