Slide Thuyết Trình Giới Thiệu Về Chất Lỏng Silicon ĐHBKHN

Chất lỏng silicon còn có thể chứa một số nhóm chức khác ở giữa hoặc cuối mạch hay là sản phẩm đồng trùng hợp tạo polyme khối... α,ω-- Cũng như các sản phẩm polysilicon khác, các tính ch

Nhóm 03 :

1 Bùi Xuân Nam 20124962

2 Nguyễn Viết Lương

3 Nguyễn Lệ Quyên

4 Nguyễn Thị Thêu

TỔNG QUAN CHẤT LỎNG SILICON

NỘI DUNG

* Phần 1: Lịch sử phát triển

* Phần 2: Phương pháp tổng hợp

* Phần 3: Tính chất và ứng dụng của chất lỏng silicon.

PHẦN 1: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

từ phản ứng của kali fluorosilicate với Kali:

4 K + K2SiF6 → Si + 6 KF

* Phản ứng silicon với clo đã tạo ra một hợp chất

dễ bay hơi, đó là tetrachlorosilane, SiCl4 :

Si + 2 Cl2 → SiCl4

chất hữu cơ silicon đầ tiền, tetraethylsilane:

2 Zn(C2H5 )2 + SiCl4 →  Si(C2H5 )4 + 2 ZnCl2

* Năm 1871, Ladenburg quan sát thấy rằng, với sự có mặt của axit loãng, các diethyldiethoxysilane,

(C2H5 )2Si (OC2H5)2, là một chât lỏng chỉ bị phân hủy

ở nhiệt độ rất cao.

* Năm 1901, thuật ngữ ‘‘ silicon ’’ được đưa ra bởi

Kipping để mô tả các hợp chất mới với công thức

R2SiO.

phẩm thương mại.

PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP

- Các sản phẩm silicon đều được tạo ra từ các mắt xích gọi là M, D, T, Q Chúng có thể định nghĩa như là các mắt xích cơ bản tạo ra hầu hết các sản phẩm silicon.

Hình 1: Các mắt xích cơ bản của polyme silicon

2 Giới thiệu về cấu trúc của chất lỏng Silicon,

- Chất lỏng silicon là các polysiloxan mạch thẳng bị khóa hai đầu mạch

Hình 2: Công thức tổng quát của chất lỏng silicon

R thường là nhóm metyl và R' thường là nhóm hydro,

metyl, etyl hay phenyl Chất lỏng silicon còn có thể chứa một số nhóm chức khác ở giữa hoặc cuối mạch hay là

sản phẩm đồng trùng hợp tạo polyme khối.

- Polyme silicon có khối lượng phân tử trải dài trên khoảng rộng.

- Chất lỏng silicon có mạch ngắn nhất với n=0

(hexamethylsiloxane) có độ nhớt 0,65cst, Với chất lỏng silicon mạch dài, độ nhớt có thể lên tới 1.106

cst và thậm chí có thể cao hơn nữa.

- Trong chất lỏng silicon không tồn tại liên kết

ngang và liên kết nội phân tử yếu nên trạng thái của

nó vẫn là lỏng nhớt.

- Chất lỏng silicon phổ biến nhất là trimetylsiloxypolydimetylsiloxan:

α,ω Cũng như các sản phẩm polysilicon khác, các

tính chất của chất lỏng silicon rất ổn định trong khoảng nhiệt độ rộng, kỵ nước, có khả năng chịu nén, hoạt động vật lý và hóa học kém, khả năng chịu nhiệt độ cao…

3 Tổng hợp chất lỏng silicon

3.1 Silic từ thạch anh

- Silic thu được bằng cách nhiệt phân thạch anh

(SiO2) với Cacbon:

- Silic được tạo ra nhìn chung có độ tinh khiết rất cao, ít nhất là 99%, đủ tiêu chuẩn để tổng hợp các hợp chất silicon

2.2 Tổng hợp Closilan

2.2.1 Phương pháp trực tiếp (Quy trình Rochow)

- Silic được tổng hợp dưới dạng kim loại rắn, sau đó được nghiền thành bột có hạt từ 100 – 350 nm để phản ứng hóa học trong quy trình Rochow.

- Bước tiếp theo là điều kiển quá trình phản ứng để

có được sản phẩm thích hợp cho quá trình tổng hợp nguyên liệu của hỗn hợp silicon.

Tuy nhiên, hỗn hợp closilan thu được chứa rất nhiều sản phẩm

- Phản ứng tổng hợp closilan rất phức tạp và được tiến hành ở nhiệt độ khoảng 300 o C, với áp suất khoảng 3 bar.

- Phản ứng được tiến hành trong một thiết bị tầng sôi ở pha rắn/khí:

Hình 3: Thiết bị phản

ứng tầng sôi

* Phản ứng của xúc tác Cu2O khi có mặt CH 3Cl:

mCu2O + n CH 3Cl → CuCl + H2O + CH3OH + HCl +CO2 +

CH3OCH3…

* Khi có mặt silic

4CuCl + Si → 4Cu + SiCl4

* Đồng sinh ra kết tủa trên bề mặt silic, ở nhiệt độ 300 o C tạo ra

Cu3Si:

3Cu + Si → Cu3Si

* Cu3Si tương tác với CH 3Cl để tạo ra metylclosilan :

Cu3Si + 2CH 3Cl → 3Cu + (CH3)2SiCl2

- Việc phân tách sản phẩm rất phức tạp vì nhiệt sôi của metelclosilan gần bằng nhau nên không phân tách được bằng chưng cất thông thường.

+ Phương pháp chưng cất đẳng phí.

+ Phương pháp hóa học: dựa trên sự khác nhau

về vận tốc thủy phân và este hóa của SiCl4 và

Hình 4: Sơ đồ dây chuyền công nghệ của một nhà máy sản xuất closilan

2.2.2 Phương pháp tổng hợp dựa trên hợp chất cơ kim Phản ứng Grinhiar, lấy theo tên Victor Grignard, ông tìm ra tác nhân Grinha RMgX (R là gốc hữu cơ, X - halogen) có khả năng phản ứng rất cao, được dùng để tổng hợp nhiều loại hợp chất hữu cơ khác nhau.

và oligome silanol mạch thẳng Trong một số trường hợp

ta có thể thu được polyme với khối lượng phân tử nhỏ

Năng suất điển hình của oligome vòng là khoảng 35% - 50% Hỗn hợp của oligome vòng chủ yếu là các vòng 4 và

5 cạnh Chỉ một lượng nhỏ vòng 3 cạnh được tạo thành

+ Diclodimetylsilan cũng có thể được chuyển hóa thành

oligome silosan với nhóm cuối sinanol bởi quá trình metyl hóa:

Quá trình chuyển hóa diclomethylsilan thành oiligome mạch thằng hoàn toàn cũng có thể thực hiện được trong một quá trình thủy phân liên tục Trong quá trình này, sản phẩm vòng được phân tách ra khỏi các oligome mạch

thẳng bởi một quá trình rửa và được trộn lại với

diclodimetylsilan.

Hình 6: Sơ đồ thủy phân closilan thành dimetyloligosiloxan-α,ω-diol mạch thẳng có hồi lưu các sản phẩm oligome mạch vòng

2.3.2 Trùng ngưng oligome mạch thẳng

- Quá trình trùng ngưng của nhóm cuối silanol:

Xúc tác có thể sử dụng những dung dịch axit hay bazơ mạnh, các hợp chất amin và các muối cacboxylic của chúng, các loại nhựa trao đổi ion hoặc đất sét được kích hoạt bởi axit khoáng…

- Có thể tiến hành đồng trùng ngưng hai oligome silanol

để tạo polyme khối:

- 1980, phản ứng trùng ngưng của siloxanol được nghiên cứu bằng cách sử dụng mô hình hỗn hợp oligome:

* Cơ chế trùng ngưng xúc tác axit và bazơ:

Cơ chế đề xuất của xúc tác ngưng tụ axit là một proton của nhóm silanol thay thế thay thế nucleophin cuối ở silicon.

Xúc tác cũng có thể là bazo mạnh, bởi tính axit cao của silanol, kiềm chuyển thành các tác nhân anion tấn công

và vào nhóm cuối silanol:

* Khóa mạch

- Các polyme thu được có thể được cho tác dụng tiếp với

trimetylclorosilan để loại bỏ các nhóm silanol ở hai đầu mạch tạo chất lỏng silicon:

- Phản ứng trùng ngưng tạo Hexamethylsiloxane:

2.3.3 Phản ứng trùng hợp xúc tác các oligome vòng

- Chất lỏng silicon chủ yếu được tổng hợp bởi phản ứng cân

bằng giữa clotrimetylsilan và các oligomedimetylsiloxan mạch vòng:

- Điển hình của quá trình tổng hợp chất lỏng silicon là phản

ứng với vòng oligome 4 cạnh để tạo ra chất lỏng silicon đơn giản:

* Một số loại monome tham giam phản ứng:

*Tỉ lệ sản phẩm phụ thuộc vào nhóm thế trên silicon

Tỷ lệ mạch thẳng phụ thuộc nhóm thế trên mạch polysiloxan

*Cơ chế trùng hợp mở vòng xúc tác axit

Cơ chế phản ứng trùng hợp mở vòng xúc tác axit với xúc tác là axit triflic (HA thể hiện cho CF 3 SO 3 H)

- Khơi mào

- Phát triển mạch

- Ngắt mạch

- Tốc độ phản ứng phụ thuộc rất nhiều vào các dung môi, các monome và các chất xúc tác trong phản ứng

*Cơ chế trùng hợp mở vòng xúc tác bazơ

Những oligome mạch vòng D4 là ví dụ điển hình trong phản ứng này Tác nhân mang điện tích âm tấn công vào nguyên tử xilic sau đó những liên kết Si-O đính vào nhau tạo trung tâm phản ứng và sau đó sảy ra phản ứng trùng hợp Trong quá trình phản ứng có sự "backbitting' để sinh ra oligome dạng vòng.

* Trình tự khả năng phản ứng của khối lượng phân tử siloxan đối với bazo như sau:

2.3.4 Chất lỏng silicon hoạt tính

a Giới thiệu chung

- Silicon hoạt tính bao gồm nhiều loại silicon với cấu

trúc khác nhau và có các nhóm chức đặc trưng

+ VD như cao su silicon loại lưu hóa ở nhiệt độ phòng

(RTV) ,loại lưu hóa ở nhiệt độ cao (HTV) hay các loại nhựa silicon có tỉ lệ liên kết ngang cao

- Các nhóm chức này có thể là hydroxyl, amino, epoxy,

cacboxyl, acryloxyankyl và kiểu liên kết có thể là kiểu α hay kiểu ω

+ Liên kết Si-H ở bên :

+ Liên kết Si-H cả ở đầu mạch và ở bên :

Rochow là : dimethyldiclosilan (85 ÷ 88%),

methylclorosilan (6 ÷ 15%).

*Phương pháp phổ biến để tổng hợp α,ω bishydrido

polydymethysilosan là thủy phân các silan tinh

khiết ,sau đó phản ứng với dimethylsilosan để thu được silosan Si-H với mạch phân tử lớn

* PHẦN 3: TÍNH CHẤT VÀ ỨNG

DỤNG CỦA CHẤT LỎNG SILICON

1. Các tính chất đặc trưng

-Chất lỏng silicon có đặc thù là sạch, trong suốt, là

chất lỏng không mùi Sản phẩm chất lỏng silicon có nhiều loại, từ lỏng chảy tự do, nhớt, sirô

-Khả năng chịu nhiệt: Chất lỏng silicon có khả năng chịu nhiệt độ cao tốt, có thể chịu nhiệt độ lên tới

250oC

+ Ngoài ra, chất lỏng silicon có khả năng chịu lạnh

tuyệt vời, chúng ở dạng lỏng ngay ở môi trường

-65oC

-Độ nhớt: Độ nhớt của chất lỏng silicon rất ít thay đổi

theo nhiệt độ, nó rất phù hợp cho các ứng dụng dựa trên thuộc tính nhớt

-Không thấm nước : Chất lỏng silicon tạo nên một lớp

phủ chống thấm nước tuyệt vời và độ bền cao

-Tính dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng : Tính dẫn nhiệt của chất lỏng dimethyl silicon thấp hơn so với các hợp chất hữu cơ thông thường và chỉ bằng ¼ của nước

-Tính ổn định hóa học: chất lỏng silicon rất trơ hóa học

và hầu như không bị ảnh hưởng bởi dung dịch kiềm

nồng độ 10% và dung dịch axit nồng độ 30%

-Ăn mòn và sự ảnh hưởng tới các vật liệu khác: Chất lỏng silicon không có bất kỳ ảnh hưởng xấu đến hầu hết các chất, bao gồm cả kim loại

+ An toàn đối với sinh vật

+ Có khả năng chống lại các bức xạ điện từ

2 Một số loại chất lỏng silicon tiêu biểu và ứng dụng của chúng.

a.Dimetyl polysiloxan

- Cấu trúc

- Ứng dụng

Thành phần mỹ phẩm

Thành phần chất đánh bóng (tạo độ bóng cao cho ô tô

và đồ nội thất)

Phụ gia sơn

b Methyl hydrogen silicon

- Cấu trúc

- Ứng dụng

Chống thấm cho thạch cao, tấm thạch cao và khối thạch cao

Làm mềm cho sợi thủy tinh

Chống ẩm, chống thấm cho vải, nguyên liệu dệt

Dùng làm chất bôi trơn, chống bám dính

c Metylphenyl siloxan

- Cấu trúc

-Tính chất

*Chất lỏng metylphenyl siloxan là siloxan thơm do có sự xuất hiện của nhóm phenyl, được sử dụng như chất trao đổi nhiệt, chất làm mát

*Cách nhiệt tuyệt vời, chống ozon, chống ẩm

*Độ nhớt thay đổi rất ít theo nhiệt độ, sức căng bề mặt nhỏ, độ bền kéo cao

*Chịu nhiệt,chống bức xạ, bôi trơn

*Nhiệt độ làm việc -50oC ~ 250 oC

*Không độc hại

-Ứng dụng

suất điện 4-5 lần)

Sử dụng như chất lỏng thủy lực, chất tải nhiệt ở nhiệt

độ cao.

Sử dụng như chất lỏng làm đầy trong máy biến áp

d Methylsiloxane mạch vòng

- Cấu trúc

- Tính chất

+ Methyl siloxane vòng dễ bay hơi (VMS)

+ Sức căng bề mặt thấp như 13 dynes / cm

+ Nhiệt độ bốc hơi thấp

+ Không biến màu theo thời gian,không mùi

+ Trơ, khả năng hòa tan nhẹ với các dung môi / chất tẩy rửa+ Sức căng bề mặt thấp

+ Hầu như không tan trong nước

+ Ít độc với cơ thể người

-Ứng dụng

Sơn, thành phần lớp phủ, đặc biệt là vecni,sơn độ bóng cao

Chất chống mồ hôi và khử mùi 

Thành phần chất xịt tóc, son môi, mỹ phẩmm, dầu gội

Chúng được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp

như chưng cất hoặc lên men

Phụ gia chống dính,hỗ trợ phân tán,chống tạo bọt,cải thiên

bột màu, lão hóa trong các loại nhựa,sơn.