مواد آلی مبتنی بر سیلیکون گروه بزرگی از ترکیبات هستند. نام دوم و رایج تر آنها سیلیکون است. دامنه ترکیبات ارگانوسیلیکن به طور مداوم در حال رشد است. آنها تقریباً در تمام زمینه های فعالیت انسانی - از فضانوردی گرفته تا پزشکی استفاده می شوند. مواد بر اساس آنها کیفیت فنی و مصرفی بالایی دارند.
مفهوم کلی
ترکیبات آلی سیلیسی ترکیباتی هستند که در آنها پیوندی بین سیلیکون و کربن وجود دارد. آنها همچنین ممکن است حاوی سایر عناصر شیمیایی اضافی (اکسیژن، هالوژن، هیدروژن و غیره) باشند. از این نظر، این گروه از مواد با خواص و کاربردهای بسیار متنوعی متمایز می شوند. برخلاف سایر ترکیبات آلی، ترکیبات ارگانوسیلیسیون ویژگی های عملکردی بهتر و ایمنی بالاتری برای سلامت انسان دارند، هم هنگام به دست آوردن و هم هنگام استفاده از اقلام،ساخته شده از آنها.
مطالعه آنها در قرن نوزدهم آغاز شد. تتراکلرید سیلیکون اولین ماده سنتز شده بود. در دوره 20 تا 90 همان قرن، بسیاری از ترکیبات از این نوع به دست آمد: سیلان ها، اترها و استرهای جایگزین اسید ارتوسیلیک، آلکیل کلروسیلان ها و غیره. شباهت برخی از خواص سیلیکون و مواد آلی معمولی منجر به شکل گیری این ایده نادرست شده است که ترکیبات سیلیکون و کربن کاملاً یکسان هستند. شیمیدان روسی D. I. Mendeleev ثابت کرد که اینطور نیست. او همچنین ثابت کرد که ترکیبات سیلیکون-اکسیژن ساختار پلیمری دارند. این برای مواد آلی که در آنها پیوندی بین اکسیژن و کربن وجود دارد، معمول نیست.
طبقه بندی
ترکیبات ارگانوسیلیسیون یک موقعیت میانی بین آلی و آلی فلزی را اشغال می کنند. در میان آنها، 2 گروه بزرگ از مواد متمایز می شوند: وزن مولکولی کم و وزن مولکولی بالا.
در گروه اول، هیدروژن های سیلیکون به عنوان ترکیبات اولیه عمل می کنند و بقیه مشتقات آنها هستند. اینها شامل مواد زیر است:
- سیلانها و همولوگهای آن (دیسیلان، تریسیلان، تتراسیلان)؛
- سیلانهای جایگزین (بوتیل سیلان، ترت-بوتیل سیلان، ایزوبوتیسیلان)؛
- اترهای اسید ارتوسیلیک (تترا متوکسی سیلان، دی متوکسی دی اتوکسی سیلان)؛
- هالواسترهای اسید ارتوسیلیک (تری متوکسی کلروسیلان، متوکسی آتوکسی دی کلروسیلان)؛
- استرهای جایگزین اسید اورتوسیلیک (متیل تری اتوکسی سیلان، متیل فنیل دی اتوکسی سیلان)؛
- alkyl-(aryl)-halosilanes (phenyltrichlorosilane);
- مشتقات هیدروکسیل ارگانوسیلان ها(دی هیدروکسی دی اتیل سیلان، هیدروکسی متیل اتیل فنیل سیلان)؛
- alkyl-(aryl)-aminosilanes (diaminomethylphenylsilane, methylaminotrimethylsilane);
- alkoxy-(aryloxy)-aminosilanes;
- آلکیل-(آریل)-آمینوهالوسیلان ها؛
- alkyl-(aryl)-iminosilanes;
- ایزوسیانات‌ها، تیوایزوسیانات‌ها و تیو اترهای سیلیکون.
ترکیبات آلی سیلیسی با وزن مولکولی بالا
اساس طبقه بندی ترکیبات آلی ماکرومولکولی پلیمر سیلیکون هیدروژن است که نمودار ساختاری آن در شکل زیر نشان داده شده است.
مواد زیر به این گروه تعلق دارند:
- alkyl-(aryl)-polysilanes;
- ارگانوپلی آلکیل-(پلی آریل)-سیلان;
- polyorganosiloxanes;
- پلی آلکیلن-(فنیلن)-سیلوکسان؛
- پلی ارگانومتالوسیلوکسانها;
- پلیمرهای زنجیره ای متالوئیدسیلان.
خواص شیمیایی
از آنجایی که این مواد بسیار متنوع هستند، ایجاد الگوهای کلی که پیوند بین سیلیکون و کربن را مشخص می کند دشوار است.
مشخص ترین خواص ترکیبات ارگانوسیلیسیون عبارتند از:
- مقاوم در برابر درجه حرارت بالا با نوع و اندازه رادیکال آلی یا گروه های دیگر مرتبط با اتم Si تعیین می شود. سیلان های تترا جانشین بالاترین پایداری حرارتی را دارند. تجزیه آنها در دمای 650-700 درجه سانتیگراد شروع می شود. پلی دی متیل سیلوکسیلان ها در دمای 300 درجه سانتی گراد از بین می روند. تترااتیل سیلان و هگزا اتیل دیسیلان با حرارت دادن طولانی مدت در دمای 350 درجه سانتیگراد تجزیه می شوند.در این حالت 50% از رادیکال اتیل حذف شده و اتان آزاد می شود.
- مقاومت شیمیایی در برابر اسیدها، قلیاها و الکلها به ساختار رادیکال که با اتم سیلیکون و کل مولکول ماده مرتبط است بستگی دارد. بنابراین، پیوند کربن با سیلیکون در استرهای جایگزین آلیفاتیک هنگام قرار گرفتن در معرض اسید سولفوریک غلیظ از بین نمی رود، در حالی که در استرهای جایگزین آلکیل (آریل) مخلوط، در شرایط یکسان، گروه فنیل شکافته می شود. پیوندهای سیلوکسان نیز استحکام بالایی دارند.
- ترکیبات آلی سیلیسی نسبتاً مقاوم به قلیایی هستند. تخریب آنها فقط در شرایط سخت اتفاق می افتد. به عنوان مثال، در پلی دی متیل سیلوکسان ها، برش گروه های متیل تنها در دمای بالای 200 درجه سانتی گراد و تحت فشار (در اتوکلاو) مشاهده می شود.
ویژگی های ترکیبات ماکرومولکولی
انواع مختلفی از مواد ماکرومولکولی مبتنی بر سیلیکون وجود دارد:
- تک عملکرد؛
- کاربردی;
- سه عملکردی;
- چهار منظوره.
با ترکیب این ترکیبات، دریافت می کنید:
- مشتقات دی سیلوکسان، که اغلب ترکیبات مایع هستند؛
- پلیمرهای حلقوی (مایعات روغنی)؛
- الاستومرها (پلیمرهایی با ساختار خطی متشکل از چند ده هزار مونومر و وزن مولکولی بزرگ)؛
- پلیمرهایی با ساختار خطی، که در آن گروه های انتهاییمسدود شده توسط رادیکال های آلی (روغن).
رزین هایی با نسبت رادیکال متیل به سیلیکون 1.2-1.5 جامدات بی رنگ هستند.
خواص زیر برای ترکیبات سیلیکون آلی با مولکولی بالا معمول است:
- مقاومت در برابر حرارت؛
- آب گریز (مقاومت در برابر نفوذ آب)؛
- عملکرد دی الکتریک بالا؛
- حفظ مقدار ویسکوزیته ثابت در یک محدوده دمایی گسترده؛
- پایداری شیمیایی حتی در حضور اکسیدان های قوی.
خواص فیزیکی سیلانها
از آنجایی که این مواد از نظر ساختار و ترکیب بسیار ناهمگن هستند، ما خود را به توصیف ترکیبات ارگانوسیلیکون یکی از رایج ترین گروه ها - سیلان ها محدود می کنیم.
مونوسیلان و دیسیلان (به ترتیب SiH4 و Si2H4 به ترتیب) در حالت عادی شرایط گازهایی هستند که بوی نامطبوعی دارند. در غیاب آب و اکسیژن، آنها از نظر شیمیایی کاملاً پایدار هستند.
تتراسیلان و تریسیلان مایعات سمی فراری هستند. پنتاسیلان و هگزاسیلان نیز سمی و از نظر شیمیایی ناپایدار هستند.
این مواد به خوبی در الکل ها، بنزین، دی سولفید کربن حل می شوند. محلول های نوع دوم خطر انفجار بالایی دارند. نقطه ذوب ترکیبات فوق از -90 درجه سانتیگراد (تتراسیلان) تا -187 درجه سانتیگراد (تریسیلان) متغیر است.
دریافت
افزودن رادیکال‌ها به Si متفاوت است و به خواص ماده اولیه و شرایطی که در آن سنتز انجام می‌شود بستگی دارد. مقداریترکیبات سیلیکون با مواد آلی فقط در شرایط سخت ساخته می شوند، در حالی که سایرین راحت تر واکنش نشان می دهند.
به دست آوردن ترکیبات ارگانوسیلیک بر اساس پیوندهای سیلانی با هیدرولیز آلکیل (یا آریل)-کلروکسی سیلان ها (یا آلکوکسی سیلان ها) و به دنبال آن پلی تراکم سیلانول ها انجام می شود. یک واکنش معمولی در شکل زیر نشان داده شده است.
چگالش می تواند در سه جهت انجام شود: با تشکیل ترکیبات خطی یا حلقوی، با به دست آوردن مواد یک شبکه یا ساختار فضایی. پلیمرهای حلقوی چگالی و ویسکوزیته بالاتری نسبت به همتایان خطی خود دارند.
سنتز ترکیبات ماکرومولکولی
رزین های آلی و الاستومرهای مبتنی بر سیلیکون از هیدرولیز مونومرها تولید می شوند. محصولات هیدرولیز متعاقباً گرم می شوند و کاتالیزورها اضافه می شوند. در نتیجه دگرگونی های شیمیایی، آب (یا سایر مواد) آزاد می شود و پلیمرهای پیچیده تشکیل می شود.
ترکیبات ارگانوسیلیک حاوی اکسیژن بیشتر از ترکیبات مبتنی بر کربن مربوطه خود در معرض پلیمریزاسیون هستند. در مقابل، سیلیکون قادر است 2 یا چند گروه هیدروکسیل را در خود نگه دارد. امکان تشکیل مولکول های پلیمری متقابل از مولکول های حلقوی عمدتاً به اندازه رادیکال آلی بستگی دارد.
تحلیل
تجزیه و تحلیل ترکیبات ارگانوسیلیکن در چندین جهت انجام می شود:
- تعیین ثابت های فیزیکی (نقطه ذوب، نقطه جوش و سایر مشخصات).
- تحلیل کیفی. برای شناسایی ترکیباتی از این نوع در لاک ها، روغن ها و رزین ها، نمونه آزمایش با کربنات سدیم ذوب شده، با آب استخراج می شود و سپس با مولیبدات آمونیوم و بنزیدین تصفیه می شود. در صورت وجود ارگانوسیلیک، نمونه آبی می شود. راه های دیگری برای تشخیص وجود دارد.
- تحلیل کمی. برای مطالعات کمی و کیفی ترکیبات ارگانوسیلیسیون، از روش‌های طیف‌سنجی مادون قرمز و انتشار استفاده می‌شود. روش‌های دیگری نیز استفاده می‌شود - آنالیز سل-ژل، طیف‌سنجی جرمی، تشدید مغناطیسی هسته‌ای.
- مطالعه دقیق فیزیکی و شیمیایی.
پیش تولید جداسازی و خالص سازی ماده. برای ترکیبات جامد، جداسازی ترکیبات بر اساس حلالیت، نقطه جوش و تبلور متفاوت آنها انجام می شود. جداسازی ترکیبات سیلیکون آلی خالص شیمیایی اغلب با تقطیر جزئی انجام می شود. فازهای مایع با استفاده از قیف جداکننده جدا می شوند. برای مخلوط گازها، از جذب یا مایع سازی در دماهای پایین و شکنش استفاده می شود.
برنامه
دامنه ترکیبات ارگانوسیلیسیون بسیار بزرگ است:
- تولید سیالات فنی (روغن های روان کننده، سیالات کاری برای پمپ های خلاء، ژله نفتی، خمیرها، امولسیون ها، کف زداها و غیره)؛
- صنایع شیمیایی - استفاده به عنوان تثبیت کننده، اصلاح کننده، کاتالیزور؛
- صنعت رنگ و لاک - مواد افزودنی برای ساخت پوشش های مقاوم در برابر حرارت و ضد خوردگی برای فلز، بتن، شیشه و سایر مواد؛
- مهندسی هوافضا - مواد پرس، مایعات هیدرولیک، خنک کننده ها، ترکیبات ضد یخ؛
- مهندسی برق - تولید رزین و لاک، مواد برای محافظت از مدارهای مجتمع؛
- صنایع مهندسی - تولید محصولات لاستیکی، ترکیبات، روان کننده ها، درزگیرها، چسب ها؛
- صنایع سبک - اصلاح کننده الیاف نساجی، چرم، چرمی. کف زدا؛
- صنایع داروسازی - تولید مواد برای پروتزها، محرک های ایمنی، آداپتوژن ها، لوازم آرایشی.
مزایای چنین موادی شامل این واقعیت است که می توان آنها را در شرایط مختلف استفاده کرد: در آب و هوای گرمسیری و سرد، در فشار بالا و در خلاء، در دماها و تشعشعات بالا. پوشش های ضد خوردگی بر اساس آنها در محدوده دمایی 60- تا 550+ درجه سانتیگراد کار می کنند.
دام
استفاده از ترکیبات ارگانوسیلیکن در دامپروری بر این واقعیت استوار است که سیلیکون به طور فعال در تشکیل استخوان ها و بافت های همبند، فرآیندهای متابولیک نقش دارد. این عنصر کمیاب برای رشد و نمو حیوانات خانگی حیاتی است.
همانطور که نشان می دهددر مطالعات انجام شده، افزودن مواد افزودنی با مواد ارگانوسیلیکن به جیره طیور و دام به افزایش وزن زنده، کاهش تلفات و هزینه های خوراک در واحد رشد، افزایش متابولیسم نیتروژن، کلسیم و فسفر کمک می کند. استفاده از چنین داروهایی در گاوها به پیشگیری از بیماری های مامایی نیز کمک می کند.
تولید در روسیه
شرکت پیشرو در توسعه ترکیبات ارگانوسیلیکن در روسیه GNIIChTEOS است. این یک مرکز علمی یکپارچه است که در ایجاد فناوری های صنعتی برای ساخت ترکیبات مبتنی بر سیلیکون، آلومینیوم، بور، آهن و سایر عناصر شیمیایی مشغول است. متخصصان این سازمان بیش از 400 ماده آلی سیلیسی را تولید و معرفی کرده اند. این شرکت یک کارخانه آزمایشی برای تولید خود دارد.
با این حال، روسیه در پویایی جهانی توسعه تولید ترکیبات آلی بر اساس سیلیکون بسیار پایین تر از کشورهای دیگر است. بنابراین، طی 20 سال گذشته، صنعت چین تولید این مواد را تقریبا 50 برابر و اروپای غربی - 2 برابر افزایش داده است. در حال حاضر، تولید ترکیبات ارگانوسیلیکن در روسیه در KZSK-Silicon، JSC Altaihimprom، در کارخانه آزمایشی Redkinsky، JSC Khimprom (جمهوری چوواش)، JSC Silan انجام می‌شود.
