概述
聚矽烷是指主鏈僅由矽原子組成的一類聚合物,包括環狀聚矽烷和線型聚矽烷兩類。由於Si-Si鍵的離域性,使其具有烴類和聚矽氧烷所沒有的物理化學性能,在功能性材料方面大有發展前途。
20世紀20年代初期,化學家基平(F. S. Kipping)由二苯基二氯矽烷和金屬鈉反應,製得苯基聚矽烷。
1949年布克哈德(C. Burkhard)製備出聚二甲基矽烷和環六矽烷。
20世紀60年代末,日本科學家熊田誠等人合成出線型聚矽烷。
1975年,矢島聖史將聚二甲基矽烷在400℃轉移反應製得可溶性聚碳矽烷,進而製得高強度beta-SiC纖維。
80年代初,R. West等人,製備了環三十五矽烷,還製備出可溶於有機溶劑的聚甲基苯基矽烷及二甲基矽烷-甲基苯基矽烷共聚物,從而為其加工套用打開大門。
分類
依照化學結構,可以分為三類:(1)非官能性聚矽烷;(2)矽官能性聚矽烷;(3)碳官能性聚矽烷。
製法
鹼金屬縮合法
當前使用最多的一種方法,由氯矽烷和懸浮在溶劑中的鹼金屬(鈉、鉀、鋰)或鹼土金屬(鎂),在100℃以上進行脫氯反應(也稱之為伍慈反應):
Cl-SiR2-Cl + 2Na → (SiR2)n + 2 NaCl
含氫矽烷脫氫縮合
在光照或者催化劑作用下,有機氫矽烷或低聚含氫矽烷進行脫氫縮合反應,得到摩爾質量較高的聚矽烷。
矽烯插入聚合反應
由聚矽烷熱分解或光分解反應產生的矽烯,再進行插入反應,即可得到分子量更高的聚矽烷。
開環聚合
環狀聚矽烷在鹼金屬催化下,進行開環聚合,可以得到高分子量的線狀聚矽烷。
電化學方法
以乙二醇二甲醚為溶劑,高氯酸四丁基銨為電解質,在電解池中陰極還原氯矽烷,可以製得聚矽烷。
掩蔽二烯的陰離子聚合
由某些掩蔽二烯出發,在親核試劑烷基鋰作用下,可以形成活性聚矽烷陰離子,進而陰離子聚合得到聚矽烷。
性質
線型聚二甲基矽烷,當其聚合度小於6時,室溫下為無色液體;聚合度為6~7時為過渡態;聚合度在8以上的為白色晶體。烷基環狀聚矽烷為無色、熔點較高的物質。
環狀聚二甲基矽烷為高度結晶化合物,不易溶於溶劑中。但隨著側鏈烷基碳鏈延長而溶解度增加。側基為芳香基團時,可溶於甲苯、己烷等溶劑,易於加工成膜;含極性側基的聚矽烷可溶於酮、醚中;含酚基側基的聚矽烷,可溶於稀鹼液中。
聚矽烷的玻璃化轉變溫度明顯高於聚矽氧烷。在氮氣中其分解溫度在350℃以上,而在空氣中則在200℃左右就會分解。
聚矽烷易於吸收紫外線,並吸收紫外線後又可以發射螢光。
用途
聚矽烷在氬氣氣氛中經400-450℃高溫處理,就會發生插入反應,成為聚矽碳烷,從而用作碳化矽陶瓷先驅體。
由於聚矽烷的Si-Si鍵具有與聚乙炔類似的共軛性質,當摻雜某些電子受體時,會產生正離子自由基,使正電荷沿著聚矽烷分子鏈移動,顯示出半導體的性能。
聚矽烷對熱氧穩定,但是對光照敏感,有較寬的紫外光譜吸收帶;成膜性好,與一般有機高聚物不相容;耐氧等離子蝕刻,從而廣泛用作多種多層次微細光刻。
聚矽烷特別適用於乙烯基單體的游離基光引發聚合反應。
此外,聚矽烷的其它用途包括:薄膜光波導器、有機光導電體、紫外線性光學材料、液晶材料、耐高溫氧化塗層等。