【元素家族——連載95】玻璃和有機物的完美結合——有機硅

已經看了好幾篇的硅，我們列數了硅的很多好處，但是基於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，然後水解縮合，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於結合在一起了。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，並用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，並組織團隊開展研究。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），然後讓硅和氯甲烷反應，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，是硅氧鏈的主幹。】

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，這種數字可能不亞於有機物的種類。

【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，無機的硅氧鏈主幹很靈活，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。它就像一根義大利麵條，有彈性，很光滑，還不容易打結。

【一根「義大利麵條」：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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