硅烷偶联剂是一类具有特殊结构的低分子有机硅化合物，通常以Y-R-SiX3表示其结构。其中：Y代表非水解基团，通常是有机官能团，如氨基、巯基、环氧基、乙烯基、氰基及甲基丙烯酰氧基等，这些基团可以与有机聚合物中的长链分子发生化学反应。
　　
　　R表示有机官能基,可与乙烯基、乙氧基、甲基丙烯酸基、氨基、巯基等有机基以及无机材料、各种合成树脂、橡胶发生偶联反应。
　　
　　X代表可水解基团，如卤素、烷氧基、酰氧基等。这些基团在水的作用下可以水解成硅羟基（Si-OH），进而与无机材料表面的羟基发生缩合反应。
　　
　　1、硅烷偶联剂的作用机理
　　
　　硅烷偶联剂在两种不同性质材料之间的界面作用机理已有多种解释，如化学键理论、可逆平衡理论和物理吸附理论等。但是，界面现象非常复杂，单一的理论往往难以充分说明。通常情况下，化学键合理论能够较好地解释硅烷偶联剂同无机材料之间的作用。
 

　　
　　耦合机构烷氧基与许多无机填料的表面基团反应。它们首先与水反应生成硅烷三醇，并释放出副产物醇。然后硅烷醇基团与填料表面上的氧化物或羟基缩合。相邻的硅氧烷链可以进一步相互作用，在表面产生聚硅氧烷层。
　　
　　硅烷需要填料表面上的活性位点（优选羟基）才能发生反应。因此，它们可用于改性所有：硅酸盐类填料、无机金属氧化物和氢氧化物。
　　
　　通常来说具体过程如下：
　　润湿：硅烷偶联剂具有较低的表面张力和较高的润湿能力，可以迅速在无机材料表面铺展开。
　　水解：硅烷偶联剂上的可水解基团（X）在水的作用下水解成硅羟基（Si-OH）。
　　缩合：硅羟基与无机材料表面的羟基发生缩合反应，形成化学键。
　　交联：硅烷偶联剂上的有机官能团（Y）与有机聚合物中的长链分子发生化学反应，形成交联结构。
　　
　　2、硅烷偶联剂的种类
　　
　　根据有机官能团（Y）的不同，硅烷偶联剂可以分为多种类型，常见的包括：
　　氨基硅烷：如 γ-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）
　　巯基硅烷：如 γ-巯丙基三甲氧基硅烷
　　环氧基硅烷：如 γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）
　　乙烯基硅烷：如乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）
　　氰基硅烷：如 β-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷
　　甲基丙烯酰氧基硅烷：如 γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS）
　　

　　
我国功能性硅烷生产结构　　

　　
　　（1）乙烯基类硅烷偶联剂
　　乙烯基类硅烷偶联剂在处理无机/树脂基复合材料中的玻璃纤维、粒状填料时，可以改善两种性质完全不同的物质的界面性能，大大提高复合材料的强度。此类偶联剂中的乙烯基或乙烯烃基具有聚合或共聚的反应性，能够使聚合物易于交联，从而提高被改性的聚合物力学性能、电性能以及表面性能等，常用于聚乙烯等热塑性塑料或橡胶的改性。
　　
　　（2）氨基类硅烷偶联剂
　　氨基硅烷偶联剂除聚酯树脂外，几乎能与所有的树脂发生反应，属于通用型偶联剂。且其具有催化性，能在酚醛、脲醛、三聚氰胺甲醛的聚合中作催化剂，应用十分广泛。
　　用于玻璃纤维表面处理，改善玻纤与树脂粘接性能，提高复合材料机械性能；
　　用于处理无机填料填充塑料，改善填料在树脂中的分散性，提高塑料的强度；
　　用于密封剂、胶粘剂和涂料的增粘剂；
　　用作纺织助剂，提高织物的柔软、防皱等特性；
　　用于生化、环保，作为生物酶载体原料，可提高生物酶的利用率。
　　
　　（3）含硫烃基类硅烷偶联剂
　　含硫硅烷偶联剂在橡胶轮胎工业中可作为无机填料的表面改性剂，能够改善白炭黑、炭黑表面结构，改善其在有机物中的团聚现象,使其很好地分散到橡胶中，提高橡胶的强度和耐磨性。同时含硫硅烷偶联剂中的硫可与橡胶结合，以使填料和橡胶之间形成牢固的网络结构，可以作为硫化剂、润湿剂、补强剂等改善橡胶轮胎的多项物理机械性能：如抗滑性（可节省能耗）、耐磨性、抗撕裂、耐切割等。
　　
　　（4）环氧烃基类硅烷偶联剂
　　环氧基的硅烷偶联剂的应用具有广普性，不仅可以应用于环氧、三聚氰胺、酚醛、交联聚氨酯等热固性复合材料中，还可以用于氯化聚醚、聚碳酸酯、聚酯、聚氨酯、尼龙、聚丙烯、聚苯乙烯等热塑性复合材料。与其它功能性硅烷偶联剂相比，环氧类硅烷偶联剂更稳定且不易发黄，能够在有机聚合物复合材料中提供增强、耐候、抗湿、增容的优异性能。
　　
　　（5）甲基丙烯酰氧基类硅烷偶联剂
　　这类硅烷偶联剂同时具有聚合反应和共聚反应的双重特性，它既可用于树脂复合材料，还可用于有机硅或者有机聚合物材料化学的结构改性。由于此类硅烷偶联剂在加热或光照的条件下易产生自由基引发聚合反应，在光固化有机硅涂料、清漆或胶黏剂中常作为光引发聚合交联的基团使用。
　　

　　常见有机聚合物和相应硅烷偶联剂的有机官能团

　　
　　3、硅烷偶联剂的用途及效果
　　功能性硅烷是一类重要且用途广泛的助剂，可应用于无机物表面改性、热固性树脂基复合材料改性、热塑性树脂基复合材料改性，以及橡胶、涂料、胶粘剂和密封胶等。
　　

　　硅烷偶联剂的应用效果

　　
　　（1）硅烷偶联剂应用于表面处理
　　硅烷偶联剂能改善玻璃纤维和树脂的粘合性能，大大提高玻璃纤维增强复合材料的强度、电气、抗水、抗气候等性能，即使在湿态时，它对复合材料机械性能的提高，效果也十分显著。在玻璃纤维中使用硅烷偶联剂已相当普遍，用于这一方面的硅烷偶联剂约占其消耗总量的50%，其中用得较多的品种是环氧基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷等。
　　（2）硅烷偶联剂改性无机填料
　　矿物填料处理矿物填料已成为有机聚合物越来越重要的添加剂和改性剂。矿物表面的金属羟基通常非常疏水，与有机聚合物非常不相容。硅烷非常适合处理矿物表面，使矿物在聚合物中更加相容和分散，甚至使填料成为增强添加剂。
　　
　　例如，石英、长石、云母、高岭土等呈酸性的硅酸盐矿物表面可以与硅烷偶联剂进行键合，形成较牢固的化学吸附。
　　
　　可预先对填料进行表面处理，也可直接加入树脂中。能改善填料在树脂中的分散性及粘合力，改善无机填料与树脂之间的相容性，改善工艺性能和提高填充塑料（包括橡胶）的机械、电学和耐气候等性能。
　　（3）用作密封剂、粘接剂和涂料的增粘剂
　　有机硅烷偶联剂能提高它们的粘接强度、耐水、耐气候等性能。硅烷偶联剂往往可以解决某些材料长期以来无法粘接的难题。硅烷偶联剂作为增粘剂的作用原理在于它本身有两种基团；一种基团可以和被粘的骨架材料结合；而另一种基团则可以与高分子材料或粘接剂结合，从而在粘接界面形成强力较高的化学键，大大改善了粘接强度。
　　

　　
我国功能性硅烷消费结构

　　
　　4、硅烷偶联剂的选择原则
　　
　　硅烷偶联剂的水解速度取于硅能团Si-X，而与有机聚合物的反应活性则取于碳官能团C-Y。因此，对于不同基材或处理对象，选择适用的硅烷偶联剂至关重要。
　　
　　选择的方法主要通过试验预选，并应在既有经验或规律的基础上进行。例如，在一般情况下，不饱和聚酯多选用含CH2=CMeCOO、Vi及CH2-CHOCH2O－的硅烷偶联剂；环氧树脂多选用含CH2－CHCH2O及H2N－硅烷偶联剂；酚醛树脂多选用含H2N－及H2NCONH－硅烷偶联剂；聚烯烃选用乙烯基硅烷；使用硫黄硫化的橡胶则多选用烃基硅烷等。
　　
　　由于异种材料间的黏接可度受到一系列因素的影响，诸如润湿、表面能、界面层及极性吸附、酸碱的作用、互穿网络及共价键反应等。因而，光靠试验预选有时还不够精确，还需综合考虑材料的组成及其对硅烷偶联剂反应的敏感度等。
　　
　　为了提高水解稳定性及降低改性成本，硅烷偶联剂中可掺入三烃基硅烷使用；对于难黏材料，还可将硅烷偶联剂交联的聚合物共用。硅烷偶联剂用作增黏剂时，主要是通过与聚合物生成化学键、氢键；润湿及表面能效应；改善聚合物结晶性、酸碱反应以及互穿聚合物网络的生成等而实现的。
　　
　　增黏主要围绕3种体系，一是无机材料对有机材料，二是无机材料对无机材料，三是有机材料对有机材料。对于第一种黏接，通常要求将无机材料黏接到聚合物上，故需优先考虑硅烷偶联剂中Y与聚合物所含官能团的反应活性；后两种属于同类型材料间的黏接，故硅烷偶联剂自身的反亲水型聚合物以及无机材料要求增黏时所选用的硅烷偶联剂。
　　
　　总体来说，硅烷类偶联剂的选用原则如下：
　　1）硅烷类偶联剂主要适用于玻璃纤维及含硅填料，如石英、硅灰石等，也可用于部分金属的氧化物及氢氧化物，但不适用于碳酸钙。树脂主要为热固性树脂。
　　2）钛酸酯类偶联剂对填料的适用范围广，如碳酸钙，钛白粉等，还可用于玻璃纤维中。树脂主要为热塑性树脂。
　　3）酸性填料应选用含碱性官能团的偶联剂，而碱性填料应选用含酸性官能团的偶联剂。
　　4）偶联剂加入量。硅烷偶联剂的用量可为填料的1%左右；钛酸酸类用量一般为填料的0.25~2%。
　　5）一些表面活性剂会影响钛酸酯偶联剂用的发挥，如HSt等，因此它们必须在填料、偶联剂、树脂充分混合后加入。
　　6）大多数钛酸酯类偶联剂易与酯类增塑剂发生酯交换反应，因此，此类偶联剂需待偶联剂加入后方可加入。钛酸酯类与硅烷类偶联剂混合加入协同效果好。
　　
　　5、硅烷偶联剂的使用方法
　　
　　硅烷偶联剂一般配成稀的水溶液，其浓度一般0.1%-2%，常用乙醇/水作溶剂，用醋酸调节pH 4-5左右，醋酸可以加速硅烷水解，又可以提高硅醇的稳定性。
　　具体操作方法：
　　（1）计算配制浓度0.1%-2%的硅烷溶液需要的乙醇/水的用量，然后用醋酸调节pH值4-5，氨基硅烷不需要调节pH值。
　　（2）缓慢滴加硅烷偶联剂到乙醇/水溶液，并不断搅动，防止过快加入导致硅烷凝胶。
　　（3）滴加完成后，搅拌直到溶液透明时结束。
　　
　　硅烷偶联剂处理粉体的方法：
　　（1）干法处理

　　（2）湿法处理