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有機硅之父:基平

http://www.nfvko.co  時間:2019/3/11  來源:全球有機硅網

全球有機硅網訊:

基于硅元素的無機非金屬材料也有它自身的致命缺點:韌性差,易碎裂;話說有機高分子材料也存在一些缺點:易老化,不耐高溫。如果能把有機高分子和硅結合到一起,那將是比較完美的材料。

硅氧鏈和碳基有機官能團結合。


1901年,英國化學家基平用格尼亞試劑和四氯硅烷反應,生成甲基氯硅烷和苯基氯硅烷,然后水解縮合,得到了第一個有機硅聚合物:聚二苯基硅氧烷,有機物苯環和無機物硅氧鏈終于結合在一起了。基平當時對高分子聚合物還不甚了解,他認為其中可能含有酮基,所以把這種聚合物叫做:硅酮,并用silicone來命名這種新材料,(-one是酮基的意思)這一稱呼一直延續到現在。

有機硅之父:基平


20世紀30年代,美國最大的化學公司陶氏化學(也稱道化學)和最大的玻璃公司康寧公司同時對新興的有機硅材料看好,并組織團隊開展研究。1943年,這兩家公司出資成立了一家合資公司——道康寧,專業從事有機硅材料的生產和研發,在這家公司身上,體現了玻璃和有機物的完美結合。道康寧一直是有機硅領域的領導者,有如電子消費品里的蘋果,一直被模仿,從未被超越。


筆者拜訪美國道康寧公司總部時的街拍,道康寧技術保密級別很高,方圓一公里內不可以拍照,我只好在比較遠的地方“偷拍”了。


有機硅似乎對很多人來說是比較神秘比較高精尖的東西,我將作為一個在有機硅行業9年的從業者,將盡我所能將有機硅說的清楚展示給大家。


有機硅最基礎的原材料有三種:金屬硅、甲醇和氯化氫,先讓甲醇和氯化氫反應生成氯甲烷(CH3Cl),然后讓硅和氯甲烷反應,得到的主要產物有甲基三氯硅烷(Si CH3Cl3)、二甲基二氯硅烷(Si(CH3)2Cl2)、三甲基氯硅烷(Si(CH3)3Cl)和四氯硅烷(Si Cl4)。


將這些氯硅烷水解,就得到了各種硅醇,將氯硅烷中的氯原子(Cl)換成羥基(OH)就可以了。這些羥基都有反應性,它們的反應性加上硅原子的四方向特性造就了有機硅的千變萬化。


有機硅的基礎流程


三甲基氯硅烷被稱為M單元,它只有一個活性基團,另外三個甲基(或者其他烷基)是沒有反應活性的,因此它經常被用來放在硅氧鏈的兩側,做封頭劑。


M單元,做封頭劑


二甲基二氯硅烷被稱為D單元,它有兩個反應基團,它可以幫助硅氧鏈往兩側延伸,所以可以做擴鏈劑;也可以自己首尾相連,形成環狀。


D單元,做擴鏈劑,是硅氧鏈的主干


甲基三氯硅烷,T單元,它有三個反應基團,所以它可以幫助形成三維的空間網狀結構,做成堅硬的硅樹脂。


T基團,起交聯作用


四氯硅烷(Q)用的比較少,因為甲基三氯硅烷已經夠用了。


好了,現在我們已經有了四種基本的單元,我們把他們依次簡稱為:M、D、T、Q,有了這四種基本單元,經過排列組合,還加上引入其他基團,我們可以搭出幾乎無限種可能的結構,這種數字可能不亞于有機物的種類。


有機硅的四種最基礎單元:M、D、T、Q


有機硅特性的奇妙一方面來自它無窮盡的排列組合,另一方面也來自硅氧鏈的神奇。


碳碳鍵的鍵能是85千卡/摩爾,而硅氧鍵的鍵能是117千卡/摩爾,因此硅氧鍵比碳碳鍵更加穩定。


碳碳鍵雖然鍵能較強,卻比較僵硬,不容易轉動,它的轉動能量高達3.3千卡/摩爾,相比而言,硅氧鍵則靈活了很多,只有0.2千卡/摩爾。


碳碳鍵長0.154納米,鍵角為112度,而硅氧鍵長0.164納米,在硅氧鏈中,硅氧鍵和石英晶體中的硅氧鍵不一樣,它的鍵角達到了130度。也就是說,硅氧鍵又長,又扁。



靈活的硅氧鏈


最常見的有機硅就是二甲基硅油,因為它的兩端都是用M單元甲基封端的,故而得名。根據聚合度,它的硅氧鏈最短可以只有兩個M單元,很容易揮發;也可以用D單元不斷擴鏈,做到5000-10000的聚合度,這個時候它的表觀粘度已經達到500萬-3000萬了,已經如同一團橡皮泥。


它的結構如下圖所示,無機的硅氧鏈主干很靈活,可以隨意轉動,有機的甲基們朝向疏水端,表現出極低的表面張力。它就像一根意大利面條,有彈性,很光滑,還不容易打結。



一根“意大利面條”:二甲基硅油的硅氧鏈



二甲基硅油只是最普通的有機硅化學品,有機硅實在太奇妙,形態各異:它可以比水流動性還好,也可以比蜂蜜、瀝青還要粘稠,甚至可以做成橡皮泥那樣的橡膠;它可以像海綿一樣軟,也可以像石英一樣堅硬;它可以做成粘合劑,也可以一點都不粘,還能幫助離型;它可以很親水,也可以很疏水;它可以表現的很亮光,也可以做成亞光;它可以做成絕緣,也可以幫助傳熱導電;它可以用來發泡,也可以用來消泡……


截至現在,人類還沒有發現過天然的有機硅,因此我們可以暫時宣布有機硅是人類自身智慧的結晶,在有機硅身上,科學家們簡直發現了另一個世界。下兩個章節,我們就帶你進入這個奇妙的新世界。



自然界不存在的有機硅材料,帶我們進入另一個世界。


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