偶联剂是一种拥有两性结构的物质，它在分子中的一部分基团能够与无机表面的化学基团反应，形成化学键合；另一部分基团则具有亲有机物的性质，可与有机分子发生化学反应或产生较强的分子间作用，从而将两种性质截然不同的材料牢固地结合在一起，改善无机填料在聚合物基体中的分散状态，提高填充聚合物材料的力学性能和使用性能。

在炭黑纳米复合材料的制备过程中，加入偶联剂能够显著改善两种物质间的界面作用，以及改善分散性。不同种类的偶联剂，如硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂等，各自具有独特的化学结构与作用机制。

硅烷偶联剂的化学结构为RnSiX4-n，其中R为非水解、可与高分子聚合物结合的有机官能团，X为可水解基团。硅烷偶联剂通过水解作用，将有机端与无机端连接起来，进而改善复合材料组分间的作用。

钛酸酯偶联剂的化学结构更为复杂，包含R基、-O-基、X基和Y基。其中，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，从而产生化学偶联作用；-O-基则能发生酯基转化反应，使钛酸酯偶联剂与聚合物及填料产生交联，同时还可以与EP中的羟基发生酯化反应。

钛酸酯偶联剂具有多种分类，包括单烷氧基型、单烷氧基焦磷酸酯型、螯合型和配位体型。不同类型的钛酸酯偶联剂适用于不同条件，如单烷氧基钛酸酯适用于干燥或煅烧法填料体系，单烷氧基焦磷酸酯型钛酸酯适用于含湿量较高的填料体系，螯合型钛酸酯适用于高湿填料和含水聚合物体系，而配位体型钛酸酯偶联剂则避免了四价钛酸酯在某些体系中的副反应。

钛酸酯偶联剂的亲有机部分通常为长链烃基，可以与聚合物链通过分子间的范德华力结合在一起，提高冲击强度、伸长率和剪切强度，同时降低高填充聚合物的黏度，使其具有良好的熔融流动性。然而，钛酸酯偶联剂应尽量避免与具有表面活性的助剂并用，以防止干扰偶联反应。

使用钛酸酯偶联剂时，通常将其用量控制在填料用量的0.5%，或为固体树脂用量的0.25%，最终用量由效能决定。不同类型的偶联剂适用于不同填料体系，如硅烷偶联剂适用于玻璃纤维及含硅填料，而钛酸酯类偶联剂对填料的适用范围较广。在使用钛酸酯偶联剂时，应注意其与酯类增塑剂发生酯交换反应的情况，因此，酯类增塑剂的加入应在填料、偶联剂和聚合物充分混合形成偶联之后。

此外，复合偶联剂如铝钛复合偶联剂和铝锆酸酯偶联剂，也具有成本低、应用效果好、热稳定性好等优点。铝锆酸酯偶联剂尤其适用于碳酸钙、二氧化硅、氧化铝、氧化钛及陶土等填充体系。

在选择偶联剂时，应考虑填料的类型、填料与聚合物的相容性、以及最终产品的性能需求。通常，硅烷类偶联剂适用于玻璃纤维及含硅填料，钛酸酯类偶联剂适用于广泛的填料体系，而偶联剂的加入量需根据填料类型和最终产品的性能需求进行调整。