پایا شیمی هومان ‍| تولید کننده رزین های سیلیکونی | آبگریز کننده های سیلیکونی | آبگریز کننده های نما

سیلان ها

سیلان ها یا به عبارتی اُرگانو فانکشنال سیلان ها (Organo functional silanes) مونومرهایی هستند که متشکل از یک اتم سیلیکون (Si) و 4 گروه عاملی دیگر می باشند. این چهار گروه شامل طیف وسیعی از ترکیبات شیمیایی می شوند، از گروه های عامل دار آلی گرفته (Organic functional) تا گروه های عامل دار غیر آلی (Inorganic functionality). به همین دلیل سیلان ها را مولکول های هیبرید نام گذاری کرده اند، زیرا با داشتن همزمان  گروه های عامل دار آلی و غیرآلی می توانند از خواص هر دو گروه بهره ببرند. بدین شکل آنها می توانند همانند یک پل، دو دنیای مواد آلی (Organic) و غیر آلی (inorganic) را بهم پیوند بزنند.

سیلان

عامل کوپل کننده سیلانی (Silane Coupling Agent) چیست؟

عامل های کوپلینگ یا کوپل کننده سیلانی (Silane Coupling Agent) این توانایی را دارند که با ایجاد باند شیمیایی پایدار (باندهای کووالانس) دو ماده معدنی و آلی را به یکدیگر پیوند دهند. تقریبا بیشتر مواد معدنی که در پوسته زمین وجود دارند مانند تمامی ترکیبات سیلیکاتی و تمامی ترکیبات فلزی که می توانند اکسید پایدار (Stable oxane bond) ایجاد کنند مانند آلومینات ها، بورات ها و غیره می توانند با سیلانول (Silanol) واکنش داده و با ایجاد پل اکسیدی به اتم سیلیکون متصل شوند. در صورت اینکه گروه عاملی مناسب بر روی سر دیگر سیلان موجود باشد، سیلان می تواند این مواد معدنی را به پلیمرهای آلی متصل کند.

سیلان

شکل کلی فرمول مولکولی یک سیلان به صورت تصویر بالا می باشد. گروه X معمولا از مشتقات آلکوکسی(Alkoxy)، استوکسی(Acetoxy)، هالوژن یا آمینی می باشند که قابلیت هیدرولیز شدن(Hydrolysis) و تبدیل شدن به سیلانول را دارا هستند. سپس این سیلانول می تواند با سطوح معدنی مانند انواع سطوح سیلیکاتی واکنش داده و با تشکیل باند اکسیدی که یک باند کووالانس است به آن متصل شود. معمولا سیلان می تواند باندهای بسیار پایداری با سطوح سیلیکاتی، آلومینیومی، زیرکوناتی، قلع، تیتانیوم و مشتقات آن و نیکل برقرار کند.
سیلان با سطوحی مانند آهن، فلزهای قلیایی و کربنات ها نمی تواند باندی به پایداری باند با مواد ذکر شده در بالا ایجاد کند و نیازمند فرمولاسیون های ویژه است.
گروه R، گروه غیر قابل هیدرولیز شونده است و می تواند شامل یک گروه آلی عامل دار یا غیر عامل دار(Functional or non-functional) گردد. این گروه ها می توانند با ایجاد پیوند شیمیایی با ترکیبات آلی، یک پل واقعی بین مواد معدنی و آلی برقرار کنند و دو دنیای متفاوت را به هم اتصال دهند.
نکته ای بسیار مهم در خصوص سیلان ها این است که آنها می توانند خواص سطحی (Interfacial region) مواد معدنی را اصلاح کنند. می توانند باعث افزایش یا کاهش انرژی سطح (Surface tension) این مواد شده یا به این سطوح خواص آلی با عاملیت های(Functionality) مختلفی از جمله عاملیت آمینی، اپوکسی، آلی غیر قطبی، اریلاتی و غیره بدهند. تعداد عاملیت هایی که می توان از طریق سیلان ها بر روی سطوح معدنی مانند انواع فیلرها و الیاف ایجاد کرد بسیار متنوع است و پاسخگوی هر نوع نیازی می باشد.

کوپل کننده سیلانی

انتخاب سیلان مناسب برای انواع پلیمر

بزرگترین گستره کاربرد سیلان ها در بخش پلیمرها می باشد. سیلان های می توانند به شکل مستقیم (ایجاد باند کووالانس) و غیر مستقیم(ایجاد باند های هیدروژنی یا یونی) باعث افزایش چسبندگی پلیمر شوند اما مهمترین کاربرد سیلان ها که آنها را از سایر بهبود دهنده های چسبندگی(Adhesion promoter) جدا می سازد، امکان ایجاد باند کووالانس است بنابراین مباحث پیش رو بر اساس ایجاد باند کووالانس خواهد بود. ایجاد باند کووالانس (covalent bond) توسط سیلان یا به شکل مستقیم با پلیمر رخ می دهد. همچنین می توان سیلان و مونومر(Monomer) را باهم کوپلیمریزه(copolymerization) کرد. معمولا ایجاد باند کووالانس برای ترموپلاستیک ها (Thermoplastic) از طریق حالت اول و برای ترموست ها (Thermoset) از طریق حالت دوم رخ می دهد.

انتخاب سیلان مناسب برای ترموست ها (Thermosets)

اکریلات ها، متاکریلات ها و پلی استرهای غیر اشبا

اکریلات ها(Acrylate)، متاکریلات ها(Methacrylate) و پلی استرهای غیر اشبا(Unsaturated Polyesters) به راحتی می توانند از طریق پلیمرازیسیون رادیکالی پلیمریزه شوند. سیلان ها نیز می توانند از طریق عاملیت آلی غیر اشباء مانند عاملیت اکریلاتی یا وینیلی (Acrylate or vinyl functional) به شکل کوپلیمر وارد زنجیره گردند. در خصوص پلی استر غیراشباء باید توجه داشت که سیلانی انتخاب شود که نرخ پلیمرازیسیون آن(Activity rate) با نرخ پلیمرازیسیون استایرن برابری کند. مالئات(Maleate) در اینجا از اهمیت چندانی برخوردار نیست.
سیلان های با عاملیت اکریل یا متاکریل ، بهتر از سیلان های با عاملیت وینیل می توانند با پلی استرها کوپلیمریزه شوند. بهترین راه برای انتخاب این سیلان ها، توجه به دو فاکتور است، اول قطبیت (Polarity) مونومری است که در انتهای زنجیر پلیمر باند تشکیل می دهد و دوم میزان پایدار سازی باند دوگانه توسط سیلان است که توسط رزونانس بار پایدار شده(نرخ پلیمرازیسیون و میزان علاقه مونومر سیلانی به تولید پلیمر باید با سایر مونومرها مطابقت داده شود). سیلان های با عاملیت وینیلی معمولا با این فاکتورها در پلی استرهای غیر اشباء مطابقت ندارند. اما از وینیل سیلان ها (Vinyl functional silane) می توان در پلیمرازیسیون اولفین هایی مانند اتیلن، پروپیلن و دی ان(Diene) تحت فشار بالا استفاده کرد و نتایج بسیار مطلوبی گرفت.

پلی اورتان ها (Urethanes)

ترموست های بر پایه اورتان ها می توانند به دو شکل با سیلان ها کوپل شوند. اولین راه استفاده از سیلان با عاملیت ایزوسیانات (Isocyanate functional silane) است که با هاردنر ایزوسیاناتی مخلوط می شوند. این مخلوط قبل از ترکیب با جزء دوم می تواند با فیلر ترکیب شده سپس جزء دوم به آن اضافه گردد  تا به شکل موثر فیلر معدنی از طریق پیوند کووالانس وارد ماتریس پلیمر گردد. راه دوم استفاده از آمینو سیلان ها (Amine functional silane) یا آلکانول  سیلان ها می باشند. این نوع از سیلان ها باید در جزء رزین پلی ال (Hydroxyl functional)  ترکیب شود. پس از ترکیب دو جزء با ایزوسیانات واکنش داده و با تولید پل یا کوپل اورتانی(Urethane linkage) یا پل اوره ای(Urea linkage) تولید ترموست می کنند. متعاقبا سیلان ها از طریق واکنش های تراکمی می توانند استحکام، سختی و چسبندگی رزین را به شکل چشمگیری افزایش دهند.

پلی اورتان های پخت شونده با رطوبت (Moisture Curable Urethanes)

سیلان های با عاملیت آمین نوع دوم(Secondary amine) می توانند با با بلوک کردن ایزوسیانات ها، اورتان های پخت شونده با رطوبت تولید کنند. این پلیمرها در معرض رطوبت محیط ولکانیزه (Crosslink) می شوند.

اپوکسی ها (Epoxies)

سیلان های با عاملیت گلیسیدیل یا اپوکسی سایکلوهگزیل (Epoxycyclohexyl and glycidoxy functional silanes)  را می توان برای پوشش دهی فیلرها(Filler treatment) به منظور  میکس با رزین اپوکسی استفاده کرد همچنین می توان آن را به صورت مستقیم با جز glycidylbisphenol-A ether ترکیب کرد. این کار با استفاده از آمینو سیلان ها در جزء هاردنر نیز امکان پذیر است. این امر موجب بهبودی چشمگیر خواص مکانیکی و چسبندگی اپوکسی می گردد. عمده مصرف سیلان ها در این زمینه برای آماده سازی الیاف شیشه به منظور تولید کامپوزیت اپوکسی با الیاف است.  همچنین از اپوکسی سیلان ها به عنوان افزودنی در رنگ های لاتکس اکریلیک برای بهبود چسبندگی و خواص مکانیکی آنها استفاده می شود.

فنولیک رزین ها (Phenolics)

فنولیک یا فنیل فرم آلدهید رزین ها به دو شاخه کلی تقسیم می شوند. رزول ها(Resols) که از طریق کاتالیزور تک مرحله ای بازی (Base catalyzed route) تولید می شوند و نوالاک ها(Novolaks) که از طریق واکنش دو مرحله ای با کاتالیزور های اسیدی تولید می شوند. از سیلان ها برای بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت های نوالاک/فیبر شیشه استفاده می شود. هیدروکسیل های (Hydroxyl groups) موجود بر روی فنول ها به راحتی با گروه اکسیران موجود در اپوکسی سیلان واکنش داده و تولید باند اتری می کند. همچنین آمینو سیلان ها نیز می توانند تشکیل پل متیلنی بدهند. در صورت استفاده از فنولیک رزین ها در کامپاندهای رابری (Rubber compounds) مانند چسب های نیتریل/فنولیک(Nitrile phenolic)  یا وینیل بویترال/فنولیک قطعات با چغرمگی بالا برای قالب سازی (High toughness impact-resistant molding compounds) ، سیلان های با عاملیت مرکاپتو (Mercapto functional silane) می توانند باندهای قوی تری نسبت به سیلان های رایج ایجاد کنند.

انتخاب سیلان مناسب برای ترموپلاستیک ها (Thermoplastics)

استفاده از سیلان ها در بخش ترموپلاستیک ها مقداری چالش برانگیز است زیرا این بار سیلان باید به جای واکنش با مونومر یا عاملیت فعال، با پلیمر واکنش دهد. این مسئله نه تنها استفاده از سیلان ها را محدود می کند بلکه علاوه بر آن می تواند مشکلات احتمالی دیگری از قبیل مشکلات رئولوژیک و حرارتی در هنگام تولید کامپوزیت ایجاد کند. اما پلیمرهایی که در قسمت زنجیره اصلی(Backbone) خود یا در گروه های فرعی دارای عاملیت های فعال برای ایجاد پیوند های کووالانس هستند می توانند با سیلان ها باند ایجاد کنند. به عنوان مثال پلیمرهایی مانند پلی بوتادی ان(polybutadiene) ، پلی وینیل کلراید، مالئیک آنیدرید، پلی فنیلن سولفاید(phenylenesulfide)، هوموپلیمرهای اکریلیک، وینیل استات، پلیمرهای دارای گروه های دی ان(Diene)، هالوژن یا کلروسولفونیل می توانند با آمینو سیلان باند ایجاد کنند. به عنوان مثال پلیمرهای کلرینه می توانند باند quaternary با آمین ایجاد کنند یا کربوکسیلات ها باند های آمیدی و سولفونات ها باند های سولفونامیدی(Sulfonamide) ایجاد کنند. همچنین سیلان های دارای عاملیت مرکاپتو (Mercapro silane) می توانند با باندهای دوگانه (Diene) موجود در پلیمرها، باندهای کووالانس ایجاد کنند که در صنایع لاستیک سازی و پلیمرهای بوتادین بسیار پرکاربرد است. سیلان های دارای عاملیت اپوکسی نیز در مالئیک اسید و اکریلیک اسید کوپولیمرها بسیار خوب ایجاد باند می نمایند.

ترموپلاستیک های تراکمی (Thermoplastic condensation polymers)

این دسته از پلیمرها که معمولا از تراکم دو گروه اسیدی و الکلی یا آمینی تولید می شوند، دارای خواص مکانیکی بسیار بالایی می باشند اما معمولا دارای عاملیت کافی برای ایجاد باند با سطح زیر لایه خود نیستند. پلیمرهایی همچون پلی استرها، پلی آمیدها، پلی کربنات ها و پلی سولفون ها در این دسته قرار می گیرند. معمولا افزایش چسبندگی از طریق معرفی یک گروه عاملی با انرژی بالا که قابلیت ایجاد باند هیدروژنی را در سطح تماس دو فاز (Interphase) داشته باشد انجام می گیرد که این امر منجر به ایجاد فرصت برای واکنش با گروه انتهایی پلیمر می شود. آمینو سیلان ها ، کلرو آلکیل سیلان ها و سیلان های دارای عاملیت ایزوسیانات معمولا کاندیدا های خوبی برای این کار هستند.

پلی اولفین ها (Polyolefins)

پلی اولفین هایی مانند پلی اتیلن و پلی پروپیلن بر خلاف سایر ترموپلاستیک ها دارای هیچگونه عاملیتی برای ایجاد باند مستقیم با سیلان ها نیستند به همین دلیل استراتژی های متفاوتی برای افزایش چسبندگی فیلر، الیاف یا سطوح به این پلیمرها باید اتخاذ نمود. اولین راه کاهش انرژی سطح فیلر یا الیاف معدنی و تطبیق آن با سطح انرژی پلیمر است. برای این منظور می توان از آلکیل سیلان های بلند زنجیر یا آمینو آلکیل سیلان ها استفاده نمود. راه حل بعدی استفاده از سیلان های با عاملیت متاکریل (Methacryl) یا وینیل (Vinyl) و ترکیب آنها با یک پراکساید مانند دی کیومیل پراکساید (Dicumyl peroxide) یا bis(t-butylperoxy) به میزان  0.15% الی 0.25% وزنی است. بدین صورت باند دوگانه با اولفین کوپلیمریزه می گردد و خواص مکانیکی آن را با ایجاد پل بین فیلر معدنی و پلیمر به شکل چشمگیری بهبود می بخشد. آزمایشات نشان داده است که  استفاده از پراکساید، تا 50 درصد مدول  کششی و خمشی (tensile and flexural)  را نسبت به حالت بدون پراکساید افزایش می دهد. راه حل سوم استفاده از از سولفونیل آزاید ها (sulfonylazides) می باشد. سولفونیل آزاید در دمای 150 درجه تجزیه شده و با آزاد کردن یک مول نیتروژن تولید نیترین فعال می کند که قابلیت ایجاد باند با کربن-هیدروژن را دارا است. این عامل می تواند با ایجاد سولفون آمید به پلی اولفین متصل شده و از طریق سیلان با فیلر معدنی پل بزند.
راه حل دیگر استفاده از پلاسما است. با استفاده از این روش، می توان قبل از اعمال سیلان، بر روی سطح هیدروکسیل های فعال ایجاد کرد و سطح انرژی اولفین را افزایش داد. بدین شکل بازه بزرگتری از سیلان ها را می توان برای کوپل کردن با سطح اولفین ها استفاده نمود. راه حل نهایی استفاده از سیلان های multipodal یا دارای چند عاملیت یکسان است که امکان ایجاد باند های قوی تر را فراهم می کنند. معمولان سیلان های multipodal قوی ترین باند ممکن را در تمامی سیلان ها ایجاد می کنند و امکان ایجاد یک چسبندگی دائمی در سخت ترین شرایط را فراهم می کنند.

اسکرول به بالا