Кремнийорганический кремний, также известный как кремнийорганические соединения, является важным химическим веществом. С момента открытия в начале 20 века применение кремнийорганического кремния получило широкое развитие в различных областях.

I. Определение и свойства кремнийорганического соединения.

Кремнийорганические соединения содержат связи кремний-углерод, при этом по крайней мере одна органическая группа соединена с атомом кремния через углеродную связь. CH₃SiH₃, (C₂H₅)₄SiCl, C₆F₅SiCl₃, (CH₃)₂Si, (OCH₃)₂ и т. д. — все это кремнийорганические соединения. SiCl₄, SiC, Si₃N₄, Na₂SiO₃, HSiCN и др. являются неорганическими соединениями кремния. Хотя этилортосиликат Si(OC₂H₅)₄, триэтоксисилан HSi(OC₃H₇)₃ и др. содержат органические группы, они связаны с атомами кремния через атомы кислорода и не являются кремнийорганическими соединениями. Кремнийорганические соединения в природе не встречаются, а силикатные соединения встречаются только в перьях животных и травах. Химия кремния изучает синтез, структуру, свойства и использование кремнийорганических соединений. Существует множество типов силиконовых полимеров, в том числе полисилоксан, полисилан, поликарбосилан, полиазотсилан и др. Органополисилоксаны с полисилоксаном в качестве основной цепи обладают высокой термостойкостью, влагостойкостью, изоляционными и другими свойствами и широко используются в авиации, электронике, строительстве. и другие поля.

II. Ранние исследования и открытие кремнийорганического соединения.

До 1863 года известными и используемыми кремнийсодержащими соединениями были неорганические соединения кремния, включая природные соединения и другие преобразованные продукты, такие как керамика, цемент и стекло. В 1863 французские химики К. Фидлер и Ж. М. Крафтс синтезировали тетраэтилсилан (Si(C2H5)4) реакцией этилена с тетрахлоридом кремния в запаянной трубке, что положило начало кремнийорганической химии.

С 1904 по 1937 год ученые не только синтезировали множество простых кремнийорганических соединений, но также открыли циклические и линейные полисилоксаны. А. Сток также открыл множество силанов. Этот период продолжительностью более тридцати лет был периодом развития кремнийорганической химии.

После 1940 года химики начали осознавать перспективность применения полимерных кремнийорганических соединений. Самые ранние исследования в этой области были проведены Дж. Ф. Хайдом из Corning Glass Company, У. Дж. Патнодом и Э. Г. Рочовым из General Electric (GE), а также К. А. Андриановым и Б. Н. Долговым из бывшего Советского Союза. Эти исследователи разработали кремнийорганические смолы, покрытия, пропитки и многие другие полиорганосилоксановые продукты. Использование кремнийорганических соединений расширилось во время Второй мировой войны, их начали применять в теплоизоляции, смазках и уплотнительных материалах для военной техники, что способствовало развитию кремнийорганической промышленности.

III. Дальнейшее развитие и применение кремнеорганических соединений.

Современному и будущему обществу требуются энергосберегающие, возобновляемые, экологически чистые, безопасные, универсальные, многообразные и высокоэффективные новые материалы. Кремнийорганический кремний, появившийся на рынке в 1940-х годах, представляет собой новый тип нового высокоэффективного полимерного синтетического материала, который может удовлетворить этим требованиям. Известен решением различных технических задач и усовершенствованием технологии производства. Его широкое применение произвело глубокое впечатление практически во всех отраслях промышленности и науки, а его замечательная эффективность не имеет себе равных среди других материалов. Поэтому его удачно окрестили «промышленным глутаматом натрия». С развитием высоких технологий страны всего мира вложили много человеческих и финансовых ресурсов в разработку кремнийорганического кремния, а крупнейшие производители кремнийорганического соединения во всем мире расширяют свои производственные мощности.

Продолжают появляться новые прикладные технологии и области, создавая новые рынки. Например, использование светоотверждаемого кремнийорганического кремния в качестве материала покрытия для оптических волокон привело к практическому использованию оптических волокон; в аэрокосмической промышленности используются жаростойкие и химически инертные высокоэффективные карбидокремниевые волокна, повышающие прочность металлов и керамики, тем самым улучшая характеристики космических аппаратов; пленки из модифицированных органосилоксановых полимеров используются для изготовления обогащенных кислородом пленок, проницаемых мембран и искусственных жабр для глубоководных операций, разделения и обогащения газов высокой чистоты, имеющих большое значение для развития биомедицины и морской техники; появление биоактивных и алкилированных кремнийорганических реагентов привело к значительным изменениям в органическом синтезе, фармацевтике и биохимии.

В современном мире практически каждая новая технология в различных областях науки и промышленного производства требует использования кремнийорганического соединения для решения задач, которые другие материалы не могут решить. Например, без высокоэффективного силиконового масла могут произойти взрывы в трансформаторах подземных железных дорог; уплотнения из органосиликоновой резины необходимы для обеспечения надежности и пожаробезопасности в навесных стенах высотных зданий, в стекле, а также в внутренних проводных и кабельных каналах; для текстиля и шерстяных свитеров требуются кремнийорганические отделочные материалы для обеспечения комфорта; без закачки органического кремния невозможно увеличить добычу нефти; косметика и средства ежедневной химии не могут улучшить свои характеристики и качество без добавления органического кремния; в области медицины и здравоохранения многие сложные операции невозможно провести без органического кремния, а эффективность многих лекарств невозможно повысить. Видно, что кремнийорганические материалы тесно связаны с развитием народного хозяйства. С момента основания первого в мире кремнийорганического завода компанией Dow Corning в США в 1943 году промышленность кремнийорганических материалов претерпела почти 70 лет развития. Благодаря своим отличным характеристикам, он стал новым типом сложной системы химической промышленности, технологически интенсивной и занимающей важное место в национальной экономике. Его применение глубоко проникло в современную национальную оборонную технику, национальную экономику и даже повседневную жизнь людей, что сделало его одним из наиболее адаптируемых и развитых разновидностей синтетических материалов. Поэтому продвижение и развитие кремнийорганического соединения является актуальной темой в современной химической промышленности.

Ⅳ. Будущие тенденции развития кремнийорганического соединения

Для всей химической промышленности разработка более эффективных и экологически чистых процессов, а также лучший контроль структуры продукции являются общими тенденциями развития. Кремнийорганическая промышленность не является исключением. Начиная с производства сырья, прямой метод в настоящее время является единственным методом производства промышленных органосиланов. Хотя этот метод сейчас развился до очень продвинутого уровня, он не является идеальным методом. Основная проблема заключается в том, что этот метод требует использования металлического кремния, которого не существует в природе и требует высоких энергозатрат на производство. Более идеальный процесс должен начинаться с силикатов в качестве исходного материала, избирательно удаляющих атомы кислорода при введении алкильных групп и образующих диалкилсилоксаны. Такой процесс был бы революционным, но на сегодняшний день сообщений на этот счет почти не поступало. В настоящее время предпринимаются усилия по дальнейшему увеличению выхода диалкилсилоксанов при одновременном снижении образования побочных продуктов.

Любое новое применение полисилоксанов связано с его особыми свойствами. Полисилоксаны обладают высокой способностью противостоять неблагоприятным воздействиям окружающей среды (например, высокой температуре, сверхнизкой температуре, радиации и окислению). По мере появления новых областей применения с более высокими требованиями в этом отношении полисилоксаны должны стать одними из лучших потенциальных полимеров. Полидиметилсилоксаны не имеют внезапного перехода от низкой температуры стеклования к температуре разложения, с небольшими и непрерывными изменениями своих физических свойств, что делает их пригодными не только для постоянных ситуаций высокого напряжения, но и для сред с широкими колебаниями температуры, влажности, радиации. и другие экологические стрессы. Это также одна из причин, почему в настоящее время проводятся обширные исследования по применению кремнийорганического соединения в новых источниках энергии (включая солнечную и ядерную энергетику) и в аэрокосмической отрасли. Высокая воздухопроницаемость, химическая инертность и биосовместимость полидиметилсилоксана сделали его блестящим в области наук о жизни, что сделало его очень важным направлением исследований полисилоксановых материалов. Гибкая молекулярная цепь и слабые межмолекулярные силы полисилоксанов обуславливают их низкую поверхностную энергию и высокую растекаемость. Поверхностные свойства полисилоксанов использовались во многих областях, где требуется модификация или контроль поверхности раздела, и они используются в качестве пеногасителей, антиадгезивов, связующих агентов, поверхностно-активных веществ, проклеивающих веществ (пряжи) и чувствительных к давлению клеев. Появление новых кремнийорганических поверхностно-активных веществ и других типов поверхностно-активных полисилоксанов приведет к появлению новых приложений.

В настоящее время перспективным направлением является объединение силоксановой химии с органической химией для получения большого количества новых кремнийорганических композиций, среди которых особенно надеются на разработку простого и экономичного технологического маршрута получения кремнийорганических/органических блок-сополимеров. Этот метод проще процесса ионной полимеризации, но поскольку полимеров с соответствующими концевыми функциональными группами получается не так много, а стоимость получения этих полимеров также высока, он еще не нашел широкого коммерческого применения. Однако стоит отметить, что промышленность приняла этот путь для производства поверхностно-активных веществ на основе блок-сополимеров полидиметилсилоксана и полиэтиленгликоля. Другие технические методы (такие как избирательное разложение, реактивная обработка и т. д.) в настоящее время проходят оценку. Идеальный процесс должен быть следующим: использовать легкодоступные исходные материалы, использовать существующее оборудование и не должен быть таким чувствительным к примесям или водяному пару, как процесс ионной сополимеризации; в то же время есть надежда, что процесс полимеризации можно использовать для получения сополимеров с различной структурой, такой как AB, ABA, (AB)n, звездчатой, гребенчатой и т. д., и позволяет хорошо контролировать размер сегментов сополимера и общей молекулярной массы сополимера. В настоящее время невозможно предсказать, какие полисилоксан/органические сополимеры будут успешными в будущем. Хотя уже получено множество таких сополимеров, их коммерческое применение все еще ограничено. Возможно, появление новых требований или новых применений станет движущей силой развития этих сополимеров.

V. Conclusion

Объединив историю и развитие кремнийорганического кремния, можно увидеть его важность и широкое применение в химической промышленности. От первоначального синтеза до современных передовых применений кремнийорганический элемент постоянно развивается и внедряет инновации. С развитием технологий и глобализацией кремнийорганическая промышленность открыла новые возможности и проблемы.

В прошлом кремнийорганический кремний в основном использовался в изоляции, смазке и герметизации, обеспечивая важную поддержку военного, аэрокосмического и промышленного производства. Сегодня, с ростом спроса на новые материалы и продвижением технического прогресса, применение кремнийорганического кремния постоянно расширяется, включая электронику, фотоэлектрическую энергетику, медицину, сельское хозяйство и другие области. Его уникальные свойства и универсальность делают его незаменимой частью современной химической промышленности.

В будущем кремнийорганическая промышленность продолжит сталкиваться с проблемами, но также столкнется с новыми возможностями. Кремнийорганическая промышленность будет продолжать внедрять инновации и прогрессировать, начиная от повышения эффективности производственного процесса и заканчивая разработкой новых технологий применения. Спрос на новые материалы, повышение экологической осведомленности и технологическое развитие подтолкнут кремнийорганическую промышленность к более широким направлениям, внося больший вклад в прогресс и устойчивое развитие человеческого общества.

Подводя итог, можно сказать, что история и развитие кремнийорганического соединения полны блестящих событий и вызовов. Это не только важная часть химической промышленности, но и ключевая сила, движущая технологический прогресс и социальное развитие. Заглядывая в будущее, кремнийорганическая промышленность будет продолжать расти, способствуя лучшему будущему человечества.