[发明专利]具有隔离白炭黑作用的硅烷偶联剂的制备和应用

说明书

本发明公开了隔离改性白炭黑作用的硅烷偶联剂的制备和应用。偶联剂是利用现有的硅烷偶联剂(Ⅲ)与现有的硅烷偶联剂(Ⅳ)或化合物(Ⅴ)经化学反应得到。利用本发明所述的硅烷偶联剂改性白炭黑，能实现白炭黑颗粒在聚合物基体中化学隔离，从而使白炭黑在聚合物基体中的均匀分散。尤其在以橡胶为代表的弹性聚合物中，以本发明所述的硅烷偶联剂改性白炭黑作为补强剂，可以有效的解决弹性聚合物‑纳米无机填料复合材料体系中因无机填料相互碰撞摩擦导致的动态性能不佳等问题。本发明所述的硅烷偶联剂合成反应简单易行，所用合成原料廉价易得，具有良好的可实施性。

技术领域

本发明涉及有机化学领域，尤其涉及一种硅烷偶联剂的制备方法和应用。

背景技术

白炭黑是一种典型的纳米无机颗粒，其主要成分为水合二氧化硅。白炭黑表面具有大量羟基，其表面极性较大，白炭黑的一次粒子会通过氢键作用相互结合，因此白炭黑易于在聚合物基体中自聚，同时白炭黑与聚合物基体之间的结合作用较弱，这使得不改性的白炭黑补强聚合物效果不佳。为提升白炭黑对聚合物的补强效果，硅烷偶联剂被广泛用于白炭黑的表面改性中。相比未改性的白炭黑，使用硅烷偶联剂改性后的白炭黑在聚合物基体中分散更好，补强效果也更理想。

硅烷偶联剂的种类繁多，其通式可以表示为RSiX₃，其中X表示烷氧基，R表示有机官能团；烷氧基团通过水解可以得到羟基，进而与白炭黑表面的硅羟基反应，而有机官能团则是与聚合物分子具有较好相容性或结合性的基团。

传统观点认为，硅烷偶联剂与白炭黑反应，在白炭黑表面形成有机界面，降低白炭黑的表面极性，从而使白炭黑与聚合物的界面能下降，进而使白炭黑在聚合物基体中均匀分散。而最新的研究发现，如Si69一样两端具有硅羟基的硅烷偶联剂，其两端的硅羟基都可以与白炭黑反应，以此构成网络状的改性白炭黑，这种结构也可以被认为是白炭黑颗粒间通过化学枝接的偶联剂相互隔离。该结构利用化学隔离作用，使白炭黑颗粒在聚合物基体中以纳米粒子形式均匀的分布。这种均一的分散结构不但对于聚合物的增强贡献很大，而且在以橡胶为代表的高弹性聚合物材料中对于材料的动态性能的提升也有极大的帮助，

然而，以Si-69及Si-75为代表的偶联剂中，连接两端硅羟基团的链段为多硫化物，该链段在高温下易于断裂，且断裂后的不饱和硫会与聚合物中的双键产生反应。这一过程可以促使改性后的白炭黑与橡胶分子链产生化学结合，但是这个过程也破坏了白炭黑纳米颗粒间的化学隔离结构。

为了使白炭黑纳米颗粒在聚合物中可以稳定的以化学隔离形式存在，实现聚合物中的白炭黑可以长期以化学隔离形式存在，需要设计一种具有两端具有硅羟基的硅烷偶联剂，同时该偶联两端硅羟基之间的分子链由高温下较稳定的链段构成。

本发明利用环氧基团与氨基之间的开环反应，实现了利用低成本、易得的原料通过简单的化学反应，制备具有化学隔离白炭黑颗粒作用的硅烷偶联剂。

发明内容

为实现上述目的，本发明的技术方案是：使具有环氧基团的硅烷偶联剂与端二胺类化合物或具有氨基的硅烷偶联剂在适当的条件下发生环氧开环反应，从而得到两端具有硅氧烷且连接两硅氧烷链段十分稳定的所述新型硅烷偶联剂。该硅烷偶联剂两端都可以与白炭黑反应，从而可以构建将白炭黑用该偶联剂分子隔离开的化学隔离结构。

本发明通过以下方案实现：

所述具有式(Ⅰ)(Ⅱ)结构特征的硅烷偶联剂：

其中

1)R1为-C_nH_2n+1，其中n为1-30，或者为-(C₂H₄O)_mH,其中m为1-30,或者为-(C₂H₄O)_pC_qH_2q+1，其中p为1-20，q为1-30；