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深入解析硅树脂:有机硅的独特成员与多样化应用

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硅油呈现的是线性结构,而硅树脂则是三维结构。这背后的原因与它们的单体结构密切相关。例如,以D结构为单体制成的硅油,其结果只能是线性的。但如果采用T或Q结构作为单体,那么在正常状态下,这些单体将会发生交联反应。特别地,当T或Q与封头剂M共同存在,尤其是M的量足够多时,这些单体便会在有限的空间内进行交联,最终形成球形结构(理论上)。

以一个具体的反应为例,当4个M与1个Q发生反应时,所得到的最简单的产物便是MQ硅树脂。
核心的硅原子被四个氧原子所环绕,然而,由于每个氧原子需与两个硅原子共享,因此,这四个氧原子实际上只连接了两个硅原子,从而形成了二氧化硅的核心结构。随着Q的比例逐渐增加,即M的比例相应减少,这个核心二氧化硅的结构会逐渐增大。当M的比例降至零时,产物便转化为沙子。
在上述分子中,随着Q的缩聚,形成了二氧化硅的核心。而M作为封头剂,不仅限制了分子的量,还调控了表面官能团的种类。这种拥有二氧化硅内核且尺寸可调、表面覆盖有机基团的物质,正是我们所说的硅树脂。与硅油不同,其核心不携带取代基,烷基结构全部位于表面,且最常见的是甲基、乙烯基和含氢基团,因为这些是M结构中最常见的。若需引入其他基团,可以通过加入T偶联剂来实现,这样便得到了MTQ硅树脂,其表面可包含胺基、环氧基、巯基、丙烯酰基等多种官能团。此外,这种结构与几年前学术界热议的POSS颇为相似。
POSS分子,作为单纯由T单体合成的具有特定空间结构的分子,其活性基团可以通过更换不同种类的偶联剂来灵活改变。同时,由于组合方式的不同,所得到的POSS分子的大小也会有所差异。
但只要我们深入理解了MQ和MTQ的合成原理,便不难明白为何POSS分子在学术界备受瞩目,而在工业界却仍难觅其踪。由于T结构原料的聚合过程难以精确控制,往往容易形成凝胶,即便在低浓度环境下反应,也难以获得单一结构的POSS分子。而那种单官能团的POSS分子,其稀缺程度不亚于在粒子加速器中寻找希格斯玻色子。
可以尝试计算一下,在假设所有产物结构均为T8,且两种硅单体具有相同竞聚率的情况下,形成单官结构分子的概率是多少。这里,我们可以借助一个简单的模型来进行推导。假设1mol单官能团的A与1mol双官能团的B发生反应,根据反应机理,我们将得到0.25mol的AB、0.25mol的BA、0.25mol的ABA,以及0.25mol的B。值得注意的是,AB和BA是对称结构,因此形成AB的概率实际上只有50%。而对于更复杂的POSS分子,其立体结构和多官能团性质将导致产物的种类显著增加,具体到每种产物的含量……如果详细展开,恐怕足以写出一篇硕士毕业论文了。
更进一步地,要实现POSS所展现的卓越性能,硅树脂已成为工业领域里成熟可靠的选择。硅树脂的独特之处在于其二氧化硅的核心结构,这一结构通过分子层面引入硅树脂,从而显著改变碳系高分子的特性,使其性能更接近二氧化硅。这极大地提升了常规碳系高分子在耐热性、折光性和抗黄变方面的表现。
尽管目前硅树脂主要应用于有机硅行业,发挥着补强的作用,但其应用领域正在不断拓展。在橡胶行业中,补强是一个关键概念,旨在增强橡胶的强度。想象一下,将橡皮筋强化为汽车轮胎的坚韧度,这就是补强效果的直观体现。有机硅与橡胶的相似性使其在某些情况下也需要补强,而硅树脂则成为透明补强的理想选择。

然而,带有环氧、氨基等功能的硅树脂在行业内应用较少。这主要是由于其价格相对较高,同时具备相关合成技能的人才也较为稀缺。当提及有机硅时,我们往往会发现它与其他体系如环氧、PU、UV等显得格格不入。这是因为有机硅的反应特性独特,主要依赖于硅氢加成和硅羟基缩合反应,这些反应难以与其他体系的反应相结合。
那是否可以考虑将环氧基、氨基、NCO等官能团引入到有机硅中呢?然而,这并不总是可行的。有机硅中常用的结构是硅油,而二甲基硅氧烷具有极低的极性,与环氧、PU等在物理上不相容,混合后会出现分层现象。难道还需要为这两个有机相添加表面活性剂吗?

因此,有机硅一直以一种独特的身份存在,就像一群人聚餐时,它独自端着盘子到墙角用餐。尽管类似的情况在有机磷和有机硼中也会出现,但并没有机硅这么显著。唯一能够将有机硅与碳系高分子联系在一起的是硅树脂。然而,一旦涉及到与碳系的结合,与有机硅的加成缩合反应就变得不再相关。或许在有机硅的视角下,硅树脂可以被视为一个叛逆的存在。


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