无机非金属材料的表面改性研究：实验原理

很多非金属粉体材料如石英粉、陶瓷粉等，是橡胶、塑料工业的重要填料。在有机高分子材料中加入非金属无机粉体，形成复合材料。复合材料的力学性能在很大程度上受到填料与基体两相间应力传递的制约。由于复合材料的破坏往往是从弱的界面处开始的，提高界面的黏结强度是提高复合材料强度的关键。无机非金属粉体作为填料材料，其性质与橡胶、塑料等有机高分子的性质不同。填料与基体的不相容性，影响了复合材料的性质。对无机非金属粉体实施表面改性处理，可以提高无机非金属材料与有机高分子材料的相容性，从而达到增强复合材料性质的目的，这是常用的一种方法。

无机非金属材料的改性，通常使用硅烷类偶联剂。该类化合物是具有有机基团的硅烷，通式为Y-（CH ₂ ） _n Si-X，其中n=0～3。X为可水解基团，通常是甲氧基、乙氧基等。这些基团水解时即形成硅醇，与硅酸盐类无机质结合形成硅氧烷。Y是有机基团，这些有机基团可与有机物质反应而结合。石英粉以及硅酸盐粉体与硅烷偶联剂，在一定条件下能发生反应，形成有机复合体。将这种复合体作为填料，加入有机基体材料中时，其中的硅烷偶联剂在无机物质和有机物质的界面间架起“分子桥”，把两种性质悬殊的材料连接在一起，能够起到提高有机—无机复合材料性能的作用。

关于偶联反应和合作的机理有多种理论，如化学键理论、表面浸润理论等，其中化学键理论是最传统和最被认可的理论。该理论认为：硅烷偶联分子含有的化学官能团，它的一端能与无机材料表面的化学官能团反应，如玻璃表面的硅醇基团（Si—OH）反应生成共价键；另一端又能与树脂等有机物生成共价键。在不同条件下，偶联分子可以与无机材料表面发生覆盖、吸附和化学键合作用，而只有当发生化学键合时，无机材料才具有最好的改性效果。偶联分子与无机材料的结合方式主要取决于无机材料的表面活性、改性处理温度，以及硅烷类偶联剂水解液的pH值等。本实验用硅烷类偶联剂对无机非金属粉体进行表面改性，考察改性后无机材料的性质。