Khả năng của các tác nhân ghép nối silan được khám phá lần đầu tiên vào những năm 40 của thế kỷ trước trong quá trình phát triển loại vật liệu polyeste gia cường bằng sợi thủy tinh. Khi mới được chế tạo, loại vật liệu này rất bền vững nhưng độ bền này nhanh chóng bị suy giảm trong quá trình lão hóa. Điều này là do sự suy giảm độ bền liên kết giữa sợi thủy tinh và nhựa hữu cơ, và được cho là do sự tấn công của các phân tử nước vào các liên kết giữa nền nhựa và sợi thủy tinh.
Trong quá trình tìm kiếm giải pháp, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng các hợp chất silan có chứa nhóm chức hữu cơ và vô cơ hoạt động trong cùng một phân tử. Các nhóm chức này đóng vai trò như là các tác nhân ghép nối trong vật liệu. Một lượng rất nhỏ của alkoxysilan chứa nhóm chức hữu cơ ở bề mặt phân cách pha giữa nhựa hữu cơ và sợi thủy tinh không chỉ gia tăng đáng kể độ bền của vật liệu ban đầu mà còn duy trì nó trong một thời gian dài. Kể từ đó, nhiều ứng dụng khác của tác nhân ghép nối silan đã được khám phá như khả năng làm phân tán các chất độn khoáng, tăng khả năng bám dính cho sơn, mực và các lớp phủ, tăng khả năng gia cường và kết nối trong nhựa và cao su, khả năng gia cường và kết dính trong chất keo và chất kết dính, bảo vệ lớp phủ và tăng khả năng chống thấm nước.
Khóa luận tốt nghiệp Đặng Thị Lương 26 Các hợp chất silan là các hợp chất đơn phân tử của silic. Cấu trúc của hợp chất silan và hợp chất của cacbon tương đương được biểu diễn ở hình 1.
C H OCH3 CH2CH2CH2NH2 C H3 Si H OCH3 CH2CH2CH2NH2 C H3
(a) Hợp chất của cacbon (b) Hợp chất của silic
Hình 1.9: Phân tử hữu cơ (a) và phân tử silan (b)
Bốn nhóm phân tử liên kết với cacbon và silic được lựa chọn để giải thích sự giống và khác nhau về tính chất vật lý và hóa học giữa hợp chất của cacbon và hợp chất của silic. Các hợp chất mà cấu trúc của nó có chứa ít nhất một liên kết C-Si được gọi là các hợp chất silan hữu cơ. Liên kết C-Si rất bền vững, rất không phân cực và năng lượng bề mặt tăng chậm. Các hợp chất của cacbon cũng có ảnh hưởng tương tự mặc dù những ảnh hưởng này kém hơn so với các hợp chất silan.
Tác nhân ghép silan (Silane Coupling Agents – SCA) là các hợp chất của silic chứa đồng thời hai nhóm hoạt động vô cơ và hữu cơ trên cùng một phân tử. Cấu trúc điển hình của nó là:
(RO)3 SiCH2 - CH2 - CH2 - X
RO là nhóm có khả năng thủy phân như: metoxy, etoxy hay axetoxy và X là nhóm chức hữu cơ như amin, metacryloxy, epoxy,…
Một tác nhân ghép silan sẽ hoạt động ở bề mặt phân cách pha giữa chất vô cơ (như thủy tinh, kim loại hay khoáng chất) và một vật liệu hữu cơ (như polime hữu cơ, chất phủ hay chất kết dính) để liên kết hay ghép nối hai loại vật liệu không giống nhau này.
Khóa luận tốt nghiệp Đặng Thị Lương 27
* Tác nhân ghép nối
Các alkoxysilan chứa nhóm chức hữu cơ được sử dụng để kết nối các polyme hữu cơ với vật liệu vô cơ. Tiêu biểu cho ứng dụng này là trong quá trình sử dụng các chất gia cường như sợi thủy tinh hay các chất độn khoáng để đưa vào trong các chất dẻo và cao su. Chúng cũng được sử dụng cả với các hệ nhiệt rắn và nhiệt dẻo. Các chất độn khoáng như silica, talc, wollastonit, sét và các loại chất độn khác được biến đổi với hợp chất silan hoặc có thể được xử lý trực tiếp trong quá trình tạo mẫu vật liệu. Với việc ứng dụng các hợp chất silan chứa nhóm chức hữu cơ không ưa nước, các chất độn không tương thích với các chất hữu cơ được biến đổi bề mặt để có khả năng hoạt động và tương thích với các chất hữu cơ hơn. Các ứng dụng của vật liệu chứa sợi thủy tinh được biến đổi bề mặt bao gồm các thiết bị vỏ động cơ ô tô, tàu, các thanh gạt nước, các thanh gạt máy in, chảo vệ tinh, các thùng và ống dẫn nhựa và còn rất nhiều lĩnh vực khác. Các lĩnh vực sử dụng các chất độn khoáng bao gồm polypropylen, các sản phẩm ép đùn độn silica, bê tông polyme sử dụng hỗn hợp chất độn, các loại vỏ và cáp điện bằng EPDM độn khoáng sét,…
* Tăng khả năng kết dính
Các tác nhân ghép nối silan làm tăng khả năng bám dính của polyme khi sử dụng chúng làm chất phụ gia trong sơn, mực, lớp phủ, keo dính,… Khi được sử dụng như một phụ gia, chúng đi vào bề mặt phân cách giữa chất nền và chất gia cường đưa vào để hoạt hóa. Khi được sử dụng như một chất biến đổi bề mặt, các hợp chất silan được ghép nối với chất nền vô cơ trước khi sản phẩm được đưa vào chất nền hữu cơ. Trong trường hợp này, các tác nhân ghép nối silan chiếm các vị trí tối ưu (ở vùng phân cách pha), khi đó nó có tác dụng như một chất thúc đẩy kết dính. Bằng việc sử dụng một tác nhân ghép
Khóa luận tốt nghiệp Đặng Thị Lương 28 nối hợp lý, sơn, mực, lớp phủ hay keo dính có thể duy trì khả năng kết dính tốt ngay cả khi chúng ở trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.
* Tác nhân phân tán và chống thấm nước
Akoxysilan với các nhóm hữu cơ kỵ nước liên kết với nguyên tử silic sẽ mang các tính chất kỵ nước của mình cho bề mặt ưa nước của các chất độn vô cơ. Chúng được sử dụng như những tác nhân chống thấm nước trong xây dựng, cầu cảng và các ứng dụng như các sàn tầu. Chúng cũng được sử dụng cho các chất bột độn vô cơ kỵ nước để làm cho chúng có khả năng phân tán tốt trong các polyme hay dung dịch hữu cơ.
* Tác nhân khâu mạch
Akoxysilan chứa nhóm chức hữu cơ có thể phản ứng với các polyme để nối các nhóm alkoxysilyl trên các mạch chính của polyme. Phân tử silan sau đó có thể phản ứng với hơi ẩm để khâu mạch tới trạng thái cân bằng. Cơ chế này có thể được sử dụng để khâu mạch cho nhựa, đặc biệt là polyetylen và các loại nhựa hữu cơ khác như nhựa acrylic và uretan để tăng độ bền vững, chống thấm nước và chống lại ảnh hưởng của nhiệt cho sơn, lớp phủ và keo dính.