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无机非金属矿物填料与橡胶、塑料基体是两种性质上完全不同的材料，他们之间存在很大的不相容性。如果直接使用这些矿物粉体作填料，其界面间容易产生剪应力，而导致复合材料的性能下降。因此，要对作为填料的非金属矿粉体进行表面处理。
偶联剂是一种能增进无机物质与有机物质之间粘合性能的助剂。它的分子中含有两种性质不同的基团，一个基团能与无机材料的表面起作用，另一个基团能与高分子材料起作用。因此，偶联剂常被称作“分子桥”。偶联剂广泛适用于塑料、橡胶、涂料、颜料、造纸等行业中。

偶联剂的种类繁多，主要有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、金属复合偶联剂、磷酸酯偶联剂、硼酸酯偶联剂等。目前应用范围最广的是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂和铝酸酯偶联剂。

一、硅烷偶联剂

化学结构式：RnSiX4-n
R：为非水解的、可与高分子聚合物结合的有机官能团。可为：甲基、乙烯基、氨基、环氧基、巯基、丙烯酰氧丙基等；
X：为可水解基团，遇水溶液、空气中的水分或无机物表面吸附的水分均可引起水解，与无机物表面有较好的反应性。可为：烷氧基、芳氧基、酰基、氯基等。其中，最常用的为甲氧基和乙氧基。

注：无机端水解后与无机物界面反应，有机端则与有机界面进行作用，因而改进了复合材料组分间的作用

作用机理
（1）X基水解为羟基；
（2）羟基与无机物表面存在的羟基生成氢键或脱水成醚键；
（3）R基与有机物相结合。


水解条件（三烷氧基硅烷与水的作用是偶联作用的基础，大部分硅烷经水解后为水溶性的）
1.溶液的pH值对其稳定有很大影响
2.常用的酸有盐酸、醋酸、月桂酸等。但在调节酸碱性促进水解的同时，也促进了硅醇之间的相互缩合，形成没有活性的聚合物
3.酸碱性对硅烷上的有机官能团也有影响

使用方法
预处理法：（干式法、湿式法、喷布法）
干式法：将无机填料加入高速捏合机中进行搅拌，边搅拌边将硅烷偶联剂的醇水溶液，或有机溶液，或水溶液加入，使之均一分散后，干燥即可。
硅烷偶联剂用量

注：若无机填料比表面积不明时，可确定为填料量的1%左右；针对密度较小的填料时，用溶剂稀释使用效果更好。（真正起偶联作用的是少量的偶联剂所形成的单分子层。）

整体掺合法（同时法）
在有机基体与无机填料混合的过程中，同时加入硅烷偶联剂原液，然后进行成型加工或经高剪切混合挤出、切粒制成母料。
特点：填料不必预处理，硅烷偶联剂的浓度也可任意调整，并且可以一步完成复合材料制品的配料。但要得到与预处理法相同的处理效果，必须使用三倍于预处理法的硅烷偶联剂。
应用
硅烷偶联剂可用于许多无机填料，其中在含硅酸成分多的玻璃纤维、石英粉及白碳黑中效果最好，在陶土和水合氧化铝中次之，对不含游离水的碳酸钙效果欠佳，硅烷偶联剂的有机基对聚合物的反应有选择性。


二、钛酸酯偶联剂

化学结构通式

R基：可与无机填料表面的羟基反应，形成偶联剂的单分子层，从而起化学偶联作用。
-O-基：能发生各种类型的酯基转化反应，由此可使钛酸酯偶联剂与聚合物及填料产生交联，同时还可与EP中的羟基发生酯化反应。
X：与钛氧键连接的原子团，或称黏结基团，决定着钛酸酯偶联剂的特性。可为：烷氧基、羧基、硫酰氧基、磷氧基、亚磷酰氧基、焦磷酰氧基等。
R’：是钛酸酯偶联剂分子中的长链部分，主要是保证与聚合物分子的缠结作用和混溶性，提高材料的冲击强度，降低填料的表面能，使体系的黏度显著降低，并具有良好的润滑性和流变性能。
Y：是钛酸酯偶联剂进行交联的官能团，有不饱和双键基团、氨基、羟基等。

作用机理

钛酸酯偶联剂的作用机理较为复杂，但它的多功能性与一剂多用的特征十分引人注目。

①单烷氧基钛酸酯

单烷氧基可与填料表面上的羟基氢原子反应，形成化学键合。另外三个有机长链可与聚合物分子发生缠绕，这样就将聚合物与填料紧密地结合在一起。
单烷氧基钛酸酯在填料表面形成的是单分子层，而不是像硅烷偶联剂那样形成多分子层。
如果填料或聚合物含有大量的水分，该类单烷氧基钛酸酯则易发生水解而失去偶联作用。因此，该类偶联剂特别适合于不含游离水，只含化学键合水或物理键合水的干燥填料体系，如碳酸钙、水合氧化铝等。
②单烷氧基焦磷酸酯型偶联剂
该类偶联剂适合于含湿量较高的填料体系，如陶土、滑石粉、高岭土等。
在这些体系中，除单烷氧基与填料表面的羟基反应形成偶联外，焦磷酸酯基还可分解形成磷酸酯基，结合一部分水。
这类偶联剂的典型品种是三（二辛基焦磷酰氧基）钛酸异丙酯（TTOPP-38）。
③螯合型钛酸酯偶联剂
该类偶联剂适用于高湿填料和含水聚合物体系，如湿法二氧化硅、陶土、滑石粉、硅酸铝、水处理玻璃纤维、炭黑等。
在高温体系中，一般单烷氧基型钛酸酯由于水解稳定性差，偶联效果不好，而螯合型钛酸酯具有极好的水解稳定性，适于在高温状态下使用。
根据螯合环的不同，这类偶联剂分两种基本类型：螯合100型，螯合基为氧代乙酰氧基；螯合200型，螯合基为二氧亚乙基。
④配位体型钛酸酯偶联剂
为了避免四价钛酸酯在某些体系中的副反应而研制的，这些反应包括：在聚酯中的酯交换反应；在环氧树脂中与羟基的反应；在聚氨酯中与聚醚与异氰酸酯的反应等。该类偶联剂适用于许多填充体系，其偶联机理与单烷氧基钛酸酯类似。

特性
1.钛酸酯偶联剂的亲有机部分通常为长链烃基（C12 ～18 ) ，它与聚合物链通过分子间的范德华力结合在一起。这种偶联作用对于聚烯烃之类的热塑性塑料特别适用。长链的缠绕可转移应力应变，提高冲击强度、伸长率和剪切强度，同时可在保持拉伸强度的情况下，增加填充量。
2.此外，长链烃基还可以改变无机物界面处的表面能，使黏度下降，高填充聚合物显示良好的熔融流动性。
3.钛酸酯偶联剂应尽量避免与具有表面活性的助剂并用，它们会干扰钛酸酯在界面处的偶联反应，如果非使用这些助剂，应在填料、偶联剂和聚合物充分混合之后再加入。

4.多数钛酸酯都不同程度地与酯类增塑剂发生酯交换反应，因此，酯类增塑剂的加入也应在填料、偶联剂和聚合物充分混合形成偶联之后。

5.单烷氧基钛酸酯在干燥或煅烧法填料体系中效果最好，在含游离水的湿填料中效果较差，此时应选用焦磷酸酯型钛酸酯。对于比表面积大的湿填料最好选用螯合型钛酸酯偶联剂。
钛酸酯偶联剂和硅烷偶联剂可以并用，产生协同效应，例如用螯合型钛酸酯处理经硅烷偶联剂处理过的玻璃纤维，偶联效果大幅度提高。

用量

钛酸酯偶联剂用量通常为填料用量的0.5%，或为固体树脂用量的0.25%，最终由效能来决定其最佳用量。其用量一般为无机填料的0.2%~0.25%。

使用方法
a、湿混合法 

单烷氧基型、配位体型等偶联剂可以用汽油、苯、乙醇等溶剂进行稀释，再同填料或颜料混合均匀，然后用加热或减压等方法除去溶剂。
b、干混合法
在塑料工业中使用钛酸酯偶联剂，主要采用干法混合。为了使少量的钛酸酯均匀地包覆在填料表面，一般加入少量稀释剂，从而使少量的钛酸酯均匀分布在填料表面上。


3.铝酸酯偶联剂

铝酸酯偶联剂是1986年由福建师范大学章文贡等发明的一种新型偶联剂，已取得美国专利（U.S.P4539049）。该偶联剂具有反应活性大,色泽浅、无毒、味小、热分解温度较高,较高协同性和润滑性等特点。

其结构与钛酸酯偶联剂类似，分子中存在两类活性基团，一类可与无机填料表面作用；另一类可与树脂分子缠结，由此在无机填料与基体树脂之间产生偶联作用。具有色浅、无毒、使用方便等特点，热稳定性能优于钛酸酯偶联剂，价格仅为钛酸酯偶联剂的一半。

铝酸酯偶联剂的用量一般为复合材料填料量的0.3%～1.0%。对于注塑或挤出成型的塑料硬制品，为填料的1.0%左右，其他工艺成型制品、软制品及发泡制品，用填料量的0.3%～0.5%。高比表面的填料如氢氧化铝、氢氧化镁、白碳黑可用1.0%～1.3%

铝酸酯偶联剂的结构
铝酸酯偶联剂的结构通式为：(C3H7O)xAl(OCOR)m(OCORCOOR)n(OAB)y，式中m+n+x=3，y=0-2。分子中存在两类活性基团,一类能与无机填料表面作用，另一类可与树脂分子缠结或交联,因此能在无机填料与基体之间产生偶联作用。

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