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硅烷偶联剂在新材料中的应用


 有机硅烷偶联剂是一类重要的化工材料,在材料科学中有着重要的应用。有机硅烷偶联剂分子的一端是典型的活性有机基团,如双键,环氧基,氨基等;另一端是可以水解的烷氧基,如甲氧基,乙氧基,能通过水解,缩合反应与无机材料形成-Si-0-桥键。所以,偶联剂可以改善复合材料(如玻璃纤维、聚合物复合材料)中组份间的界面结合,提高材料的力学能。虽然,自偶联剂问世以来的40余年里,其用量和使用范围不断, 品种也在增加,但目前的应用仍主要限于纤维增强或颗粒填充的聚合物基复合材料,用以改善界面结合。这类复合材料多用作结构件。由于传统复合材料中界面所占比例有限,所以,偶联剂的用量不大,仅占材料总体积的1-2%。有关这方面的应用技术比较成熟。近年来,溶胶-凝胶法在新材料研究中的应用受到人们的普遍关注,尤其用该法制备分子水平上混合的有机-无机杂化材料及纳米相复合材料更使人耳目一新。与传统的复合材料比较,此类材料具有一些特殊的性能,常被用作功能材料。有机硅烷偶联剂以其独特的分子结构和性能,在此类材料中起着重要的作用,使用量也大为增加。本人介绍三种最常用有机硅烷偶联剂在溶胶-凝胶法制备有机-无机杂化材料中的应用情况,并讨论相应杂化材料的制备方法和性能。

1、甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷(MPTMS)

有机-无机杂化材料的应用之一是可以掺入有机染料,作为固态激光器的工作物质。以掺入罗丹明6G(浓度50*10-4mol/dm3)的材料为例,原料中偶联剂占相当大的比例(见表1)。原料中的乙烯基单体MMA既可自聚,也可以与MPTMS共聚,构成材料中的有机部分,TEOS和偶联剂分子中可水解的甲氧基,过过溶胶-凝胶过程形成材料的无机部分Si02,MTPMS分子中稳定的Si-C键把有机与无机两部分连接起来。另以偶联剂GPTMS带有环氧基团,水解形成的二醇结构利于有机染料的溶胶和分散。

 

单就用MPTMS制备有机-无机杂化材料的方法来说,也不尽相同。方法之一是先使MPTMS与TEOS或其它金属醇盐进行预水解,然后加入溶于适当溶剂的聚合物如PMMA,就可以形成有机聚合物改性的无机氧化物材料。在制备PMMA改性的Al2O3-SiO2时,PMMA含量高于20%时,才不会发生宏观相分离,形成透明材料。另一方法是先使MPTMS与烯类有机单体共聚合,形成带有可水解烷氧基的有机聚合物,该聚合物与TEOS一起经水解,缩合生成杂化材料,如:

水解过程可用无机酸催化,也可以用光化学方法催化。这里应适当控制聚合物中MPEMS含量和聚合物的分子量,如在制备PS与SiO2的杂化材料时,共聚物中MPEMS单体单元少于22%(mol)时,溶胶-凝胶过程中发生相分离,所得材料不透明。

偶联剂的独特作用在杂化材料的另一制备方法中表现得尤为突出。该法用MMA浸渍纳米孔二氧化硅凝胶,并使之原位聚合,得到透明的PMMA-SiO2杂化材料,可以想见,PMMA与SiO2之间无化学键合。若在浸渍MMA之前先用偶联剂MPTMS处理多孔硅胶,就可以在孔壁上形成偶联剂的单分子层,偶联剂分子上的活性基因(>C==C<)能与MMA聚合,其结果是使杂化材料的模量比未处理时提高43%。处理方法与对玻璃纤维表面处理类似,原理也相同,差别在于多孔硅胶的比表面积相当大。理论计算表明,杂化材料中MPTMS分子的体积含量可达20.8%。

 

2 .  3-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)

GPTMS的活性有机基团是环氧基。它与硅酸酯以及其它金属醇盐共同进行的水解、缩合过程可表示为:

得到的杂化材料用作塑料的表面涂层,可以提高表面硬度和改善抗擦伤性。如用50%~70%(mol)的GPTMS,10%~30%(mol)的TEOS以及10%~20%(mol)的金属(如TI,Zr,Al)醇盐,可以得到稳定的涂层溶液,进而制备出性能良好的透明涂层。含铝涂层具有较高的硬度和抗擦伤性。我们在PMMA表面制备了有机改性的SiO2涂层和TiO2-SiO2涂层,使表面硬度明显提高,并有增透作用,其中前者增透效果显著,后者硬度提高。

近来还有报道,将GPTMS用于制备色谱柱,取得了满意的结果。

3、7-胺丙基三乙氧基硅烷(APTES)

半导体(如CdS)量子点材料在非线性光学方面的应用前景很好。由溶胶-凝胶法的道德有机-无机杂化材料可作为其基体,如前述。APTES除了构成材料的一部分外,还被用来控制量子点的尺寸和粒径分布,以获得特定的性能。

在制备多孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜时,可用APTES控制孔径,调节透过率。在光学塑料CR-39上制备上节所述的耐磨涂层时,涂层与基底的结合欠佳,若用APTES预先处理CR-39表面,可以使涂层与基底结合牢固。

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