橡膠工業用硅烷偶聯劑

  為了改善橡膠復合材料的特性并降低橡膠制品的成本，其有效途徑是進行填充改性，即在橡膠中摻合大量的無機填料或增強劑。由于無機填料與有機聚合物在化學結構和物理形態上存在著顯著差異，兩者之間缺乏親和性，往往會導致橡膠制品的加工性能和力學性能等受到不良影響，為增加無機物與有機聚合物之間的親和性，一般可用偶聯劑來解決這個問題。

  偶聯劑能把性能截然不同的兩種物質通過化學或物理作用結合起來。用偶聯劑對無機填料的物理或化學處理，可以使無機填料由親水性表面變成親油性表面，從而達到與有機聚合物之間的緊密結合，改進復合材料的各種性能。因此，偶聯劑也被稱為無機和有機物質界面間的橋梁。近年來，已進行過許多偶聯劑在天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠、丁腈橡膠和氯丁橡膠膠料中的應用研究，并且相繼獲得了可喜的成果。

  橡膠用硅烷偶聯劑的常見分子式為RSiX ，其中R為不能水解的反應性有機官能基，如環氧基、乙烯基和甲基丙烯酸酯基等；X為可水解基團，如鹵素、烷氧基、酰氧基等。因此，硅烷偶聯劑既能與無機填料中的羥基又能與橡膠的長分子鏈相互作用，使兩種不同性質的材料“偶聯”，從而改善橡膠膠料的各種性能。

  硅烷偶聯劑是當前橡膠工業發展最快的偶聯劑之一，應用十分廣闊。20世紀70年代，人們發現雙官能團硅烷偶聯劑雙-[(三乙氧基硅烷基)-丙基]四硫化物(硅烷偶聯劑BP-69）對白炭黑有改性作用，可提高白炭黑與橡膠之間的相容性，降低膠料的門尼粘度、生熱和滾動阻力，改善膠料的加工性能，提高硫化膠的耐磨性。

  硅烷偶聯劑的引入使白炭黑在橡膠工業中的應用突飛猛進。20世紀90年代初，全白炭黑填充的“綠色輪胎”的出現使白炭黑的應用更為廣泛，進而又促進了硅烷偶聯劑的發展。

  一般選用硅烷偶聯劑的原則是： 聚烯烴橡膠多選用乙烯基硅烷； 硫黃硫化膠多選用含硫硅烷偶聯劑，如硅烷偶聯劑BP-69；環氧樹脂一般選用端基是環氧基或氨基的硅烷；不飽和聚酯多用乙烯基、環氧基硅烷。

  在硅烷偶聯劑分子中，既有親有機材料的有機基團，又有親無機材料的可水解基團，其中有機基團對制品的性能影響很大。只有當有機基團能與相應的有機材料反應時，才能提高復合材料的性能。當硅烷偶聯劑中的有機基團為非反應性的烷基或芳基時，對極性有機材料不起作用，但可用于非極性材料(如硅橡膠、聚苯乙烯等)中。

  在選擇硅烷偶聯劑作復合材料的助劑時，除需考慮硅烷偶聯劑有機基團的反應性之外，還應考慮硅烷偶聯劑與有機材料的相容性以及對膠料貯存穩定性的影響。有時，采用復合硅烷偶聯劑或硅烷偶聯劑與多種化合物的反應產物效果會更好。

   加入硅烷偶聯劑BP-69，膠料的焦燒時間和正硫化時間均隨填料用量的增大而縮短，硫化膠的拉伸強度、撕裂強度、硬度和定伸應力均提高。加入其它硅烷偶聯劑也會出現類似結果，如果用硅烷偶聯劑BP-189改性白炭黑，可提高硫化膠的物理性能。

  硅烷偶聯劑BP-69與填充劑之間的反應發生在膠料的混煉階段， 因此應認真考慮偶聯劑與其它配合劑的加料順序。為了達到理想效果，偶聯劑和炭黑等填充劑應在其它配合劑之前加入，以防止其它配合劑分子占據填充劑表面，而使其活性受到影響以及被其它配合劑吸收或終止填充劑與偶聯劑的反應。

  而偶聯劑一定要在填充劑之后加入，以使生膠與填充劑之間的相互作用達到最大。當混煉溫度急劇上升至二者反應所需的溫度時，加入硅烷偶聯劑可使改性效果達到理想狀態；在填充劑已混合均勻并達到一定的溫度(160℃)后，再加入油和其它配合劑。

  值得注意的是，加入硅烷偶聯劑時，混煉溫度不宜超過熱交聯反應溫度， 否則會產生干擾作用。在用硅烷偶聯劑改性白炭黑的同時，一般也會加入醇類活性劑或胍類促進劑，以縮短硫化時間，促進硫化反應。