有机硅是什么？

有机硅是围绕Si-O-Si基本结构构建的广泛类别的聚合链及网络的统称。

有机硅在技术上被称为“聚硅氧烷”，是连接有机化学和无机化学之间的“缺失环节”。

集玻璃和塑料的优势为一体，有机硅是有别于世界上其它任何东西的独特材料。

• 与玻璃（硅基材料）类似，有机硅耐温抗湿，是具有化学惰性的绝缘体
• 与塑料（碳基材料）类似，有机硅结实牢固，能够呈现多种形状

有机硅与有机聚合物

与碳基聚合物相比，聚二甲基硅氧烷（PDMS）聚合物： 

• 分子链更加开放，更加柔软 – 刚性较低。
• 无需固化便能形成更长的链。
• 具有更牢固、更稳定的键，更能忍耐恶劣环境、加工和操作条件。
• 低温下更柔软、更易流动，且在高温下不破损。
• 能够在界面更有效地排列其取代基；能够更加容易与其他材料和配方成分“连接”。
• 更容易流动，能够形成薄膜。

 

碳和硅 - 如此相近...... 却又如此不同
碳是有机的（基于植物）；硅是无机的（基于矿物）
碳形成共价键；硅形成混合离子/共价键
二氧化碳是一种单纯气体；二氧化硅是一种复杂的固体聚合物
四氯化碳CCl₄是一种相当稳定的流体；四氯化硅SiCl₄ 对水和部分有机物质具有高度反应性

与相同粘度的碳氢化合物流体相比，100 cs黏度的聚二甲基硅氧烷流体的流速会更快、更易流动，形成更薄、更完整的膜。

硅与碳之间的部分重要差异 

• 硅原子比碳原子更大，键更长，更灵活，键角度更宽。
• 硅的负电性低于碳的电负性（1.8比2.5）；能够放弃较多电子，与其它元素形成强大而活跃的键。
• 硅仅形成单键而不是多键（与双键或三键相比，单键更稳定、不易破裂） 。

Si-O键 – 有机硅独特性能的关键

• Si-O键比C-O键具有更高的能量。
• Si-O键比C-O键更长、更平。
• Si-O键的旋转能障低于C-O键，且自由体积更高。

所有这些因素造就了硅的开放式、柔软结构以及极低的玻璃化温度。

有机硅分子——拥有柔性主链的石英

你可把有机硅视作有机改性后的石英，其中附着在每个硅原子上的两个氧原子被有机基团替代了。在聚二甲基硅氧烷（最常见的基础有机硅）中，这些有机基团是甲基 (CH₃).

这种代替把石英刚硬的三维网络结构变成了坚固但柔韧的线性聚合体，有机基团可在其中自由地围绕Si-O-Si 链转动。

有机硅（聚二甲基硅氧烷）分子的显著特征

• 高度自由、柔韧和灵活的硅氧烷主链——能够偏向特定表面排列,可弯曲但不会折断
• 出众的结合强度——在许多不同环境及苛刻条件下均能保持稳定
• 能够形成极其长的聚合链，同时仍保持流动状态
• 能够粘结有机物和无机物，消除两者之间的鸿沟

上述特性使有机硅适用于任何东西，从流体和橡胶 到 凝胶体、 弹性体和树脂, 满足汽车、电子、美容和医疗保健等行业的苛刻要求！
从这些基本的结构单元，可创造出数千种有用的有机硅产品。

硅烷化学

硅烷是有机硅化学的基本结构单元。硅烷是个单体，R₁, R₂, R₃, 和 R₄ 代表附在硅原子上的四个化学基团。这些基团：

• 可以相同也可以不同
• 可以有反应也可以无反应
• 反应性（如有）可以是有机的也可以是无机的

这种大量的潜在组合解释了硅烷的多功能性及其以各种不同方式与碳基化学品配合使用的能力。

无机反应性

当无机反应基团如氯、甲氧基或乙氧基等直接附着在硅原子上时，它们可在水中发生水解，然后，自我凝结形成稳定的硅氧烷结构 ...... 或者粘结到无机材料表面上的氢氧根，如玻璃、矿物质和金属。

有机反应性

硅烷至少包含一种碳硅键，被称之为有机硅烷。硅烷中可设置特定的有机反应性，以便与特定有机材料的反应性相匹配。

向硅中添加有机有反应性基团如氨、氯、环氧或甲基丙烯酸酯，可使分子有可能复制有机反应性。

通过添加有机无反应性基团，如甲基、多碳烷羟基团、环烷烃基团、苯基或异丙基，可向硅烷分子添加诸如疏水性、有机相容性、热稳定性和抗溶解性等理想特性。

双重反应性

同时具备无机和有机反应性的硅烷可用作联结剂，用于化学粘结通常不相容的基质。

有机硅可被合成几乎无限种类的材料，每种材料具有其独有的特性和性能。 

有机改性后的有机硅——使有机化学品具有有机硅的性能

聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有Si-O-Si 主链和甲基侧基(CH₃) 基团，是一种兼具无机和有机性能的杂化材料。

有机硅在无机-有机连续体中的位置

有机硅可在“滑动区间”内发挥作用，其特性并不是“一成不变”。通过添加不同的有机基团或改变有机-无机官能团之间的比例，可使有机硅展示出几乎无限制的有机-无机的性能和优越性。

有机改性后的有机硅可解决问题、创造机会

通过向聚硅氧烷分子添加不同的有机基团，可实现各种不同性质，例如：:

• 与有机材料的相容性更佳，或者提高排斥有机材料的能力
• 能够与有机材料发生反应
• 热稳定性更出色、不易燃烧
• 耐溶剂性
• 水溶性以及溶解度控制
• 改善抗静电性能
• 提高耐用性，如光滑性
• 能够向有机材料的表面传递有机硅特性

如何根据需要定制有机改性后的有机硅

• 功能基团的分子量和mol%可被改变。这种特性允许按照特定市场进行定制，提高相容性，扩大溶解范围。
• 添加到有机硅分子的有机功能基团可以是反应性的，也可以是非反应性的。
• 反应性有机基团通常通过三碳链与硅分离，以免有机反应性受到硅的影响。
• 这些基团可以许多方式连接到聚硅氧烷链上。
• 经过设计，反应性有机硅可与特定基质或配方成分发生反应，以提高粘性或创造新分子。

  

从沙石到有机硅 - 有机硅是如何产生的

有机硅的生产过程听起来再简单不过了。取硅、氯甲烷和少量催化剂。加热、加水。各种各样的有机硅流体、弹性体、凝胶体和树脂就被生产出了。  

• 难度最大的步骤是获取基础硅。
• 最复杂的步骤是合成并精馏（分离）硅烷中间体，而有机硅分子来自硅烷中间体。
• 不过，有机硅生产的关键在于水解和聚合和整理步骤。

 

1. 有机硅生产使用直接可用的材料 - 石英沙（硅石）和甲醇。
2. 有机硅生产过程具有持续性和自足性。该过程并不消耗铜催化剂（只是不时补充）；盐酸的循环再利用率接近100%。
3. 该周期仅产生有用产品。

 

氯甲烷是如何产生的

氯甲烷由甲醇和盐酸缩合而成：

每个硅原子上必须附着两个甲基基团（CH₃）才能产生一个二甲基二氯硅烷分子，即基本的有机硅基本单位。

盐酸和甲醇是有机硅生产的主要成分。

氯硅烷是如何合成的

氯硅烷是在摄氏250到300度（华氏482到572度）、1到5帕的压力条件下在流化床反应器内合成的。

氯甲烷（CH₃Cl）流经硅金属粉末的流化床。

该反应经铜基催化剂的催化，生成甲基氯硅烷混合物：

甲基氯硅烷混合物含： 

• 大量的二甲基二氯硅烷 （Me₂SiCl₂）- 主要基本单位
• 适量的甲基三氯硅烷 （MeSiCl₃）
• 一些三甲基氯硅烷 （Me₃SiCl）
• 少量的甲基二氯硅烷（MeHSiCl₂）
• A以及少量的其他硅烷

氯硅烷然后经精馏 过程相互分离。

 

氯硅烷是如何精馏的

精馏不是反应。它是液体→气体→液体的阶段性变化。

合成阶段生成的各个氯硅烷具有不同的沸点。根据分子上附属的氯原子数目，利用这些沸点将氯硅烷精馏开来。

各种氯硅烷的沸点彼此非常接近，因此需要非常高的精馏塔才能把它们分离开来。

氯硅烷一经分离，即可经水解和缩合流程转变成有用的硅氧烷。

 

氯硅烷是如何水解及缩合的

向二甲基二氯硅烷（首要氯硅烷）加入水时，两种物质发生反应，生成disilanol和盐酸。这是因为氧“喜欢”硅胜过氯；氯“喜欢”氢胜过氧（Me = CH₃）。

二甲基二羟基硅烷不稳定，互相附着力强。经盐酸催化后，缩合成聚二甲基硅氧烷（分子含有硅原子和氧原子连接的主链）。

水解和缩合同时自发发生，且速度迅速。这些反应是名副其实的“永久性化学机器”，产生以下混合物：

1. 环状（具有3-6个重复性SiO单元）
2. 直链（具有30-50个重复性SiO单元）

环状和线性低聚物（小型聚合物）根据链中的SiO数量彼此分离并经精馏切割成片。其中一些可直接使用（例如：环硅氧烷和低分子有机硅流体）。 但大部分要进行进一步的聚合和整理处理，生成多种性能各一的材料。

你知道吗 ..... 能形成长链，这是有机硅和有机物的主要区别之一。有机分子开始形成较长的链时，就会变成环状。或者，若链超过15个单元，则变成固体。而有机硅则可以形成多达3,000个单位的长链。更详细了解有机硅与有机物（碳基材料）之间的区别。

能形成长链，这是有机硅和有机物的主要区别之一。有机分子开始形成较长的链时，就会变成环状。或者，若链超过15个单元，则变成固体。而有机硅则可以形成多达3,000个单位的长链。

 

有机硅是如何聚合及整理的

这是有机硅生产的“设计中心”。这里，有机硅科学家设计出无数种解决问题用的创新型有机硅材料。

有机硅聚合

聚合是指将较小的分子基本单位联系起来形成真正有机硅聚合物（分子拥有许多分子重复单元）的过程。

可以使有机硅聚合物具有反应性或不具有反应性。还可使有机硅具有各种有机或无机功能。

被称为“端基封闭（end blocking）”的流程用于控制链长、分子重量及粘度。端基封闭剂不具有反应性，因此阻止继续发生聚合。绝大多数的有机硅聚合链端基以Me3SiO2结尾。

有机硅聚合物可与其他成分结合，如填充剂、交联剂、催化剂及色素，生成多种非固化（流体、油脂、化合物）材料和固化（弹性体、树脂、凝胶体）材料。

有机硅整理

整理是指在满足特定生产工艺、应用或性能要求且使用方便的情况下获取得有机硅性能的过程。

有机硅整理工艺 

• 乳化 - 产生稳定的有机硅流体和水混合物，简化配制过程，减少挥发性有机化合物（VOC）含量。
• 溶剂分散 - 在各种溶剂中分散或稀释有机硅聚合物或树脂；溶剂被用于控制蒸发率，并达到与其他配方成分的相容性。
• 复合 - 添加填充剂（如硅石）及/或添加剂（如增塑剂或阻燃剂）；复合能克服分散难题，并帮助控制流率和薄膜厚度；填充剂也可起到强化作用，延长性能时间。
• 混合 - 将不同形态或粘性的有机硅混合起来或将其与其他材料混合；混合能生成具有独特特性和性能特征的物质。