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有机硅—硅油

关注:399 发表时间:2024/03/14

来源:四极高分子材料

 

所谓硅油就是线性结构的有机硅,因为一般是不同粘度的油状液体,所以被称为硅油。大致的反应原理即封头剂AA和有机硅单体B反应,得到的ABBBBA的结构。

首先,先说最简单的甲基硅油,也就是Si上面所有的R都是CH3的情况。那么,封头剂AA的结构就是这样

六甲基二硅氧烷,行业里简称叫MM。然后是单体,理论上可以用最简单的D结构来和MM反应

 

但如果用这种甲氧基的硅烷,要接入N个硅,就要脱掉2N个甲醇,产率太低,并且分子量做不大,也不好控制。所以常规的方法则是加成的方式,也就是先把单体做成一个环

 

这个环,可以认为是用了3个上面那个东西,脱去6个甲醇得到的预缩合物,用它再和MM加成的时候就不会有脱甲醇的问题。因为是D结构,又有3个硅,所以这个环被称为D3。

所以,一般的甲基硅油,都是D3和MM反应,得到的结构,具体分子量多大,也就是n多大,全看D3和MM的摩尔比

 

前面说,用D3避免了合成硅油时候的分子量问题,那么合成D3的时候有没有分子量的问题?答案是有,但无所谓。

D3,就有D4,D5,D6……但这些东西都是小分子,用精馏的方法可以比较干净的分开。其实就算分不开问题也不大,因为在和MM反应的时候这些D的活性都是一样的。并且在实际的应用当中,用的比较多的反而是D4,3和5也会用,但是更高的一般不用,也不好买。

以上是甲基硅油的合成方法,还有很多其他的结构,但是方法基本都一样,只不过是更换封头剂和单体。比如把6个甲基的MM,换成带有乙烯基的封头剂

 

中间单体还是D4,得到的产物就是两端有乙烯基,中间是甲基的硅油。甲基一般不强调,所以就叫端乙烯基硅油。

如果反过来,封头剂是MM,单体换成带乙烯基的

 

得到的产物则是侧链乙烯基的硅油,不过侧链一般也不强调,所以默认就叫乙烯基硅油。并且,这个乙烯基单体可以前面的D4混合使用,混合的比例不同,做出来的就是乙烯基含量不一样的乙烯基硅油。

同理,把封头剂换成带氢的

 

中间单体用D4,得到的就是端含氢硅油。而D4单体换成含氢的单体

 

得到的就是侧链含氢的硅油。

当然,如果愿意的话,也可以把乙烯基跟含氢做到一个主链上,但好像没这么玩的……

基本所有的硅油都是按照这种方法来做的,有机硅里面常见的基团,基本就是甲基、乙烯基、含氢、苯基。其他的也有,比如带氟的、带胺的、带环氧的封头剂或者硅单体,基本上都是比较冷门的东西。

常见硅油里比较特殊的是羟基硅油,具体来说是端羟基硅油。因为前面所有的硅油,都是封端剂是M,硅单体是D的情况。而端羟基硅油封端剂也是D,所以就会有一步水解的过程,把头上的羟基变出来。但这是正规的做法,还有一种比较不正规的做法,水解法,也叫回收料。

不管什么种类的硅胶,就算有各种位置的取代基,主要成分都是甲基硅氧烷

 

而硅氧键,是很容易被碱性破坏的。连无机的二氧化硅都能够被碱轻易腐蚀,所以NaOH水解有机硅更是不在话下。所谓的回收料,就是拿各种报废的硅胶制品,在NaOH的作用下高温水解,然后去掉里面太大的或者太小的分子,留下的就是端羟基的硅油。这种硅油结构很乱,成本又低,所以主要用来做各种玻璃胶,因为这种五级产品本身要求也不高,倒是做到了物尽其用。

说到这里,好像忘了说D4和MM的反应催化剂……

这个反应的催化剂,可以是酸也可以是碱,酸碱性越强越高效果越好。但工业使用酸的情况多一些,因为碱有个水解的问题。并且含氢的结构遇到碱会发生交联并且释放氢气,这个反应的速度非常快,比NCO遇到碱性水还要快,所以也是一种发泡工艺之一,但是因为氢气易爆,所以产线一定要做好通风工作。同理,用铂也可以做含氢的有机硅发泡,控制起来要容易很多,但是好贵……

酸的话,最常用的是硫酸,但是因为硫酸是易制毒,并且酸性也不够强,所以很多量小的产品,用的是各种磺酸。反应结束之后,先用碱中和,然后抽真空去掉水和没有反应的硅单体,然后再把结晶的硫酸盐或者磺酸盐过滤出来。

为什么要先中和再蒸馏呢?这牵扯到一个很人头疼的问题,因为前面一直说的这个反应,是个可逆反应……也就是说,在有催化剂的情况下,D4可以变成硅油,但是如果催化剂留在里面抽真空的话,硅油就会重新变成D3D4D5跑出来。

因为是用碱中和酸,不可能做到100%正好中和掉,所以体系里面要么残留一点酸,要么就是残留一点碱。而这些残留的酸碱,在将来硅胶长时间受热的时候就会破坏硅胶的结构。

最常见的例子就是电子电气行业用的硅胶,就是因为这个逆反应,所以硅胶里总是会挥发出硅单体,而这些硅单体又会凝结在其他器件的表面(类似的问题,封闭异氰酸酯也会有)。一旦这个位置有高电压或者大电流,这些单体就会碳化进而导电,造成灾难性的结果。所以现在电子行业用的硅胶越来越少,就算用的话也一定要测试单体的挥发程度,最早测试的是D3-D10的总量,现在好像到了D17还是D20,要求越来越高。

其实就算没有导电的问题,这些挥发也会造成一些不太好的结果,比如用硅胶密封的一些透明器件,因为这个挥发,就会让里面变得雾蒙蒙。当然这个雾也不一定是D单体的原因,也有缩合型挥发出的醇类、肟类,或者硅胶里面加的白油。

最后吐槽一下不同行业里名词重复的问题。有机硅行业的白油指的是石蜡油之类的高级烷烃,在硅胶里当液体填料用;但是涂料行业里,白油指的是沸点更低的石油醚,当非极性溶剂用,也叫白电油;而有的聚氨酯产品当中,白油指的却是聚醚。再比如DMC这三个字母,有机硅里面指的是二甲基环硅氧烷,聚醚里面指的是双金属催化剂,锂电行业又成了碳酸二甲酯。


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