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有机硅之父:基平

http://www.wtrut.com  时间:2019/3/11  来源:全球有机硅网

全球有机硅网讯:

基于硅元素的无机非金属材料也有它自身的致命缺点:韧性差,易碎裂;话说有机高分子材料也存在一些缺点:易老化,不耐高温。如果能把有机高分子和硅结合到一起,那将是比较完美的材料。

硅氧链和碳基有机官能团结合。


1901年,英国化学家基平用格尼亚试剂和四氯硅烷反应,生成甲基氯硅烷和苯基氯硅烷,然后水解缩合,得到?#35828;?#19968;个有机硅聚合物:聚二苯基硅氧烷,有机物?#20132;?#21644;无机物硅氧链终于结合在一起了。基平当时对高分子聚合物还不甚了解,他认为其中可能含有酮基,所以?#39068;?#31181;聚合物叫做:硅酮,并用silicone来命名这?#20013;?#26448;料,(-one是酮基的意思)这一称呼一直?#26377;?#21040;现在。

有机硅之父:基平


20世纪30年代,美国最大的化学公司陶氏化学(也称道化学)和最大的玻璃公司?#30340;?#20844;司同时对新兴的有机硅材料看好,并组织团队开展研究。1943年,这两家公司出资成立了一家合资公司——道?#30340;?#19987;业从事有机硅材料的生产和研发,在这家公司身上,体现了玻璃和有机物的完美结合。道?#30340;?#19968;直是有机硅领域的领导者,有如电子消费品里的苹果,一直被模仿,从未被超越。


笔者拜访美国道?#30340;?#20844;司总部时的街?#27169;?#36947;?#30340;?#25216;术保密级别很高,方圆一公里内不可以拍照,我只好在比较远的地方“偷拍”了。


有机硅似乎对很多人来说是比较神秘比较高精尖的东西,我将作为一个在有机硅行业9年的从业者,将尽我所能将有机硅说的清楚展示给大家。


有机硅最基础的原材料有三种:金属硅、甲醇和氯化氢,先让甲醇和氯化氢反应生成氯甲烷(CH3Cl),然后让硅和氯甲烷反应,得到的主要产物有甲基三氯硅烷(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)。


将这些氯硅烷水解,就得到了各种硅醇,将氯硅烷中的氯原子(Cl)换成羟基(OH)就可以了。这些羟基都有反应性,它们的反应性加上硅原子的四方向特性造就了有机硅的千变万化。


有机硅的基础流程


三甲基氯硅烷被称为M单元,它只有一个活性基团,另外三个甲基(或者其他烷基)是没有反应活性的,因此它经常被用来放在硅氧链的两侧,做封头剂。


M单元,做封头剂


二甲基二氯硅烷被称为D单元,它有两个反应基团,它可以帮助硅氧链往两侧延伸,所以可以做扩链剂;也可以自己首尾相连,形成环?#30784;?


D单元,做扩链剂,是硅氧链的主干


甲基三氯硅烷,T单元,它有三个反应基团,所以它可以帮助形成三维的空间网状结构,做成坚硬的硅树脂。


T基团,起交联作用


四氯硅烷(Q)用的比较少,因为甲基三氯硅烷已经够用了。


好了,现在我们已经有了四种基本的单元,我们把他们?#26469;?#31616;称为:M、D、T、Q,有了这四种基本单元,经过排列组合,还加上引入其他基团,我们可?#28304;?#20986;几乎无限种可能的结构,这种数字可能不亚于有机物的种类。


有机硅的四种最基础单元:M、D、T、Q


有机硅特性的奇妙一方面来自它无穷尽的排列组合,另一方面也来自硅氧链的神奇。


碳碳键的键能是85千卡/摩尔,而硅氧键的键能是117千卡/摩尔,因此硅氧键比碳碳键更加稳定。


碳碳键虽然键能较强,却比较僵?#29627;?#19981;容易转动,它的转动能量高达3.3千卡/摩尔,相比而言,硅氧键则灵活了很多,只有0.2千卡/摩尔。


碳碳键长0.154纳米,键角为112度,而硅氧键长0.164纳米,在硅氧链中,硅氧键和石英晶体中的硅氧键不一样,它的键角达到了130?#21462;?#20063;就是说,硅氧键又长,?#30452;狻?



灵活的硅氧链


最常见的有机硅就是二甲基硅油,因为它的两端都是用M单元甲基封端的,?#35782;?#24471;名。根据聚合度,它的硅氧链最?#28845;?#20197;只有两个M单元,很容易挥发;也可以用D单元不断扩链,做到5000-10000的聚合度,这个时候它的表观粘度已经达到500万-3000万了,已经如同一团橡皮泥。


它的结构如下图所示,无机的硅氧链主干很灵活,可以随意转动,有机的甲基们朝向疏水端,表现出极低的表面张力。它就像一根意大利面条,有弹性,很光滑,还不容易打结。



一根“意大利面条?#20445;?#20108;甲基硅油的硅氧链



二甲基硅油只是最普通的有机硅化学品,有机硅实在太奇妙,形态各异:它可以?#20154;?#27969;动性?#36141;茫?#20063;可以比蜂蜜、沥青还要粘稠,甚至可以做?#19978;?#30382;泥那样的橡胶;它可以像海绵一样软,也可以像石英一样坚?#29627;?#23427;可以做成粘合剂,也可以一点都不粘,还能帮助离型;它可以很亲水,也可以很疏水;它可以表现的很亮光,也可以做成亚光;它可以做成绝缘,也可以帮助传热导电;它可以用来发泡,也可以用来消泡……


截?#26009;?#22312;,人类还没有发现过天然的有机硅,因此我们可以暂时宣布有机硅是人类自身智慧的结晶,在有机硅身上,科学家们简直发现了另一个世界。下两个章节,我们就带你进入这个奇妙的新世界。



自然界不存在的有机硅材料,带我们进入另一个世界。


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