目前，我們廣泛應(yīng)用的偶聯(lián)劑依據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)，主要可被歸類為硅烷類、鈦酸酯類、鋁酸酯類、有機(jī)鉻絡(luò)合物、鋯化合物、硼化物、磷酸酯以及錫酸酯等。這些偶聯(lián)劑在塑料、橡膠、涂料和膠黏劑等高分子材料領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。
偶聯(lián)劑的分類
① 鈦酸酯類偶聯(lián)劑：依據(jù)它們獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，鈦酸酯偶聯(lián)劑包括四種基本類型。
a.單烷氧基型 這類偶聯(lián)劑適用于多種樹(shù)脂基復(fù)合材料體系，尤其適合于不含游離水、只含化學(xué)鍵合水或物理水的填充體系。
b.單烷氧基焦磷酸酯型 該類偶聯(lián)劑適用于樹(shù)脂基多種復(fù)合材料體系，特別適合于含濕量高的填料體系。
c.螯合型 該類偶聯(lián)劑適用于樹(shù)脂基多種復(fù)合材料體系，由于它們具有非常好的水解穩(wěn)定性，這類偶聯(lián)劑特別適用于含水聚合物體系。
d.配位體型 該類偶聯(lián)劑用在多種樹(shù)脂基或橡膠基復(fù)合材料體系中都有良好的偶聯(lián)效果，它克服了一般鈦酸酯偶聯(lián)劑用在樹(shù)脂基復(fù)合材料體系的缺點(diǎn)。
②硅烷類偶聯(lián)劑：硅烷類偶聯(lián)劑的通式為 RSiX3，式中，R代表氨基、巰基、乙烯基、環(huán)氧基、氰基及甲基丙烯酰氧基等基團(tuán)，這些基團(tuán)和不同的基體樹(shù)脂均具有較強(qiáng)的反應(yīng)能力；X 代表能夠水解的烷氧基（如甲氧基、乙氧基等）。硅烷偶聯(lián)劑在國(guó)內(nèi)有 KH550、KH560、KH570、KH792等幾種型號(hào)。
③鉻絡(luò)合物偶聯(lián)劑：鉻絡(luò)合物偶聯(lián)劑開(kāi)發(fā)于 20 世紀(jì) 50 年代初期，是由不飽和有機(jī)酸與三價(jià)鉻離子形成的金屬鉻絡(luò)合物，合成及應(yīng)用技術(shù)均較 成熟，而且成本低，但品種比較單一。
④其他偶聯(lián)劑：鋯類偶聯(lián)劑是含鋁酸鋯的低分子量的無(wú)機(jī)聚合物。它不僅可以促進(jìn)不同物質(zhì)之間的黏合，而且可以改善復(fù)合材料體系的性能，特別是流變性能。該類偶聯(lián)劑既適用于多種熱固性樹(shù)脂，也適用于多種熱塑性樹(shù)脂。此外還有鎂類偶聯(lián)劑和錫類偶聯(lián)劑。
偶聯(lián)劑的作用機(jī)理
偶聯(lián)劑在復(fù)合材料中的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，但關(guān)于其在界面上如何以極少量就對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生顯著影響，至今尚未有完整的理論解釋。目前，關(guān)于偶聯(lián)劑在兩種不同性質(zhì)材料之間界面上的作用機(jī)理，已有多種研究，并提出了包括化學(xué)鍵合、物理吸著、浸潤(rùn)效應(yīng)、表面能理論、可變形層理論和約束層理論等在內(nèi)的多種解釋。
①化學(xué)鍵合理論
硅烷類偶聯(lián)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)式通常為YRSiX3，其中Y為有機(jī)官能團(tuán)，R為活性官能團(tuán)，如氨基、巰基等，而X為可水解基團(tuán)，如烷氧基或氯。這種偶聯(lián)劑通過(guò)其無(wú)機(jī)端與無(wú)機(jī)物界面反應(yīng)，有機(jī)端則與有機(jī)界面進(jìn)行作用，從而改進(jìn)了復(fù)合材料組分間的相互作用。在水解過(guò)程中，X基首先轉(zhuǎn)化為硅醇，進(jìn)而與材料表面的羥基反應(yīng)，形成化學(xué)鍵合。而偶聯(lián)劑另一端的有機(jī)基則與樹(shù)脂反應(yīng)，形成牢固的化學(xué)結(jié)合。②浸潤(rùn)效應(yīng)和表面能理論
在復(fù)合材料的制造過(guò)程中，液態(tài)樹(shù)脂對(duì)被粘物的良好浸潤(rùn)至關(guān)重要。如果浸潤(rùn)完全，樹(shù)脂對(duì)高能表面的吸附將提供高于有機(jī)樹(shù)脂內(nèi)聚強(qiáng)度的粘接強(qiáng)度。偶聯(lián)劑通過(guò)降低表面能，促進(jìn)樹(shù)脂對(duì)被粘物的浸潤(rùn)，從而提高復(fù)合材料的性能。③可變形層理論
為了緩解復(fù)合材料冷卻時(shí)樹(shù)脂和填料因熱收縮率不同而產(chǎn)生的界面應(yīng)力，理想的界面應(yīng)是一個(gè)柔曲性的可變形相。偶聯(lián)劑處理過(guò)的無(wú)機(jī)物表面可能會(huì)優(yōu)先吸收樹(shù)脂中的某一配合劑，導(dǎo)致相間區(qū)域的不均衡固化，形成一個(gè)比偶聯(lián)劑在聚合物與填料之間的多分子層厚得多的撓性樹(shù)脂層，即可變形層。這一層能松弛界面張力，阻止界面裂縫的擴(kuò)展，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。④約束層理論
與可變形層理論相對(duì)，約束層理論認(rèn)為在無(wú)機(jī)填料區(qū)域內(nèi)的樹(shù)脂應(yīng)具有介于無(wú)機(jī)填料和基質(zhì)樹(shù)脂之間的彈性模量。偶聯(lián)劑的作用在于將聚合物結(jié)構(gòu)“緊束”在相間區(qū)域內(nèi)，形成一個(gè)約束層。這種約束層能夠增強(qiáng)復(fù)合材料的粘接力和耐水解性能。以上各種理論從不同角度解釋了偶聯(lián)劑的偶聯(lián)機(jī)理，而在實(shí)際過(guò)程中，往往是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果。