Классификация и применение силановых связующих агентов

 Силановые связующие агенты используются в больших количествах и выпускаются в различных вариантах, их структура обычно представлена YR-SiX3. Среди них X — галоген или алкоксильная группа. Под действием воды Si-X превращается в Si-OH, обеспечивая связь между неорганической поверхностью и силаном. R — длинноцепочечный алкан, а Y — органическая функциональная группа, такая как аминогруппа, винильная группа, метакрилоилоксигруппа, меркаптогруппа, эпоксидная группа и т. д., которая легко вступает в реакцию с полимерами. Силановые связующие агенты широко используются для модификации поверхности наночастиц, антикоррозионной обработки поверхности стекловолокна и металлов, а также в качестве адгезионных добавок для покрытий и герметиков, что позволяет значительно улучшить эксплуатационные характеристики материалов.

Классификация силановых соединений

Серосодержащий силановый связующий агент

Развитие автомобильной промышленности способствовало развитию резиновой промышленности. Бутадиеновый каучук используется в производстве шин благодаря своей превосходной морозостойкости, износостойкости, устойчивости к старению и эластичности. Однако бутадиеновый каучук обладает низкой прочностью на разрыв и сопротивлением скольжению, поэтому часто возникает необходимость в его наполнении определенным количеством диоксида кремния. При этом диоксид кремния имеет большую поверхностную энергию, легко агломерируется и плохо смачивается и диспергируется в органической фазе, поэтому его необходимо модифицировать на поверхности. В настоящее время наиболее распространенными модификаторами поверхности в шинной промышленности являются серосодержащие силановые связующие агенты. Серосодержащий силановый связующий агент связывает серу в структуре с каучуком, а алкоксигруппы — с гидроксильными группами кремния на поверхности белой сажи, образуя прочную сетчатую структуру, что значительно снижает сопротивление качению шины.

Аминосилановый связующий агент

Аминосилановые связующие агенты, как универсальные, могут связываться практически со всеми видами полимерных смол. Благодаря наличию свободных аминогрупп, этот тип силановых связующих агентов обладает высокой щелочностью и реакционной способностью, а прочность на изгиб формовочного материала увеличивается с увеличением количества аминогрупп. Недостатком этого типа силановых связующих агентов является то, что в процессе использования могут происходить преждевременные реакции, и ожидаемые результаты могут быть не достигнуты. γ-Уреидопропилтриэтоксисилан (A-1160), как новый тип уреидосодержащего силанового связующего агента, представляет собой нейтральное водорастворимое соединение со значением pH около 7, которое может использоваться с большинством смол. Реакции проводятся при несколько сниженной активности при низких температурах, при этом сохраняются определенные экстремальные рабочие характеристики. В качестве типичных разновидностей термостойких силановых связующих агентов, Y-5475 и Y-5669 обладают термостойкостью на 60–100 °C выше, чем традиционные продукты, благодаря сочетанию атомов кремния и бензольных колец.

Эпоксисилановый связующий агент

Традиционные силановые связующие агенты склонны к реакциям предварительного сшивания с водой, что ограничивает их применение в полиэфирных материалах. Благодаря развитию исследовательских технологий, эпоксисилановые связующие агенты, представленные 3-(2,3-эпоксипропокси)пропилтриметоксисиланом (A-187), могут храниться при комнатной температуре более 12 месяцев. При этом они сохраняют хорошие физические свойства и адгезию, демонстрируя тем самым хорошую долговременную стабильность при хранении в водных растворах.

Применение силанового связующего агента

Обработка поверхности стекловолокна

Стекловолокно, как неорганический неметаллический материал, обладает хорошими изоляционными свойствами, термостойкостью, коррозионной стойкостью и высокой механической прочностью. Оно часто используется в качестве армирующего материала, электроизоляционного и теплоизоляционного материала в композитных материалах. Однако полярность поверхности стекловолокна затрудняет его совместимость с неполярными смолами, значительно снижая его заполняющий эффект. Для улучшения адгезии между смолой и стекловолокном, а также повышения прочности, электроизоляционных свойств и атмосферостойкости композитных материалов, армированных стекловолокном, необходимо модифицировать поверхность стекловолокна. В настоящее время наиболее распространенным модификатором поверхности стекловолокна является силановый связующий агент, который включает в себя следующие разновидности: винилсилан, аминосилан, метакрилоксисилан и др.

Обработка поверхности неорганическим наполнителем

Для достижения различных эксплуатационных свойств полимерных материалов, таких как пластмассы и резина, необходимо добавлять различные неорганические наполнители. Композитные материалы позволяют компаундировать материалы посредством прямого контакта на границе раздела фаз. Следовательно, свойства и микроструктура границы раздела напрямую влияют на ее физические свойства и прочность сцепления. Поверхность обычных неорганических наполнителей гидрофильна и плохо диспергируется в смоле и резине во время использования, что серьезно влияет на характеристики композитных материалов. В практических применениях модификация поверхности наполнителя для придания ему гидрофобных свойств позволяет в полной мере реализовать его функциональные возможности. Использование силановых связующих агентов для обработки поверхности неорганических наполнителей позволяет формировать неполярную молекулярную пленку на поверхности наполнителей, улучшать стабильность, дисперсию и адгезию наполнителей в резине и пластмассах, а также повышать электрические, механические и атмосферостойкие свойства наполненных пластмасс (включая резину) и способствовать улучшению технологических характеристик.

Модификация поверхности нанопорошка

Нанопорошок обладает малым размером частиц и большой удельной поверхностью, поэтому он имеет уникальные эффекты малого размера, туннельный эффект и поверхностный эффект. Благодаря этому он ценится за свои превосходные армирующие, стабильные и загущающие свойства. Он используется в пластмассах, резине, покрытиях и других областях. Поскольку нанопорошок обладает большой поверхностной энергией и легко агломерируется, что ограничивает его ультрадисперсное действие и затрудняет диспергирование и проникновение в органическую фазу, его необходимо модифицировать для улучшения совместимости и связывающей способности с органическими молекулами. Распространенным методом модификации нанопорошка является использование молекул связующего агента для проведения определенной химической реакции с поверхностью нанопорошка, чтобы равномерно покрыть поверхность нанопорошка связующим агентом и улучшить гидрофобность нанопорошка. Обычно используются силановые, титанатные и алюминатные связующие агенты.  PF-1S — порошкообразный мелкодисперсный гидроксид алюминия с поверхностным покрытием, первый в своем роде в Китае, — это высокотехнологичный продукт, изготовленный с использованием новейших технологий модификации поверхности. Патент был разработан и принадлежит исключительно компании Pengfeng. Эта технология позволяет частицам гидроксида алюминия с высокой абсорбционной способностью полностью раскрыть свой потенциал и обеспечить оптимизированные результаты в процессе модификации поверхности. Таким образом, она коренным образом решает проблемы агрегации ультрадисперсных ионов, неэффективности модификации поверхности и неравномерного распределения ионов или частиц.

Используется в качестве адгезионного компонента для герметиков, покрытий и т. д.

Силановые связующие агенты широко используются в клеях, герметиках, покрытиях и других областях в качестве усилителей адгезии для повышения прочности сцепления, водостойкости и атмосферостойкости. Введение функциональных силановых связующих агентов в покрытия позволяет силану образовывать взаимопроникающую сетчатую полимерную сеть (ВПС) с пленкообразующим полимером покрытия или вступать в реакцию сшивания с пленкообразующим полимером покрытия, тем самым способствуя смачиванию подложки покрытием и улучшая адгезию краски. Кроме того, алкил- и арилсиланы также могут улучшать блеск пленочного покрытия, укрывистость, смешиваемость, а также смачивающие и диспергирующие свойства пигментов.

В других областях силановые связующие агенты также широко используются в обработке металлических поверхностей и других отраслях промышленности.