硅烷體系課程目標(biāo)和內(nèi)容掌握硅烷基本概念理解硅烷化學(xué)結(jié)構(gòu)和分類了解物理化學(xué)性質(zhì)熟悉硅烷的特性和反應(yīng)機(jī)理認(rèn)識(shí)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用掌握硅烷在各領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值把握發(fā)展趨勢(shì)什么是硅烷定義硅烷是含硅和氫的化合物通式為SinH2n+2特點(diǎn)含Si-H鍵類似于烷烴的硅氫化物發(fā)現(xiàn)歷史1857年由伍勒首次合成1902年被斯托克系統(tǒng)研究硅烷的化學(xué)結(jié)構(gòu)四面體構(gòu)型硅原子sp3雜化Si-H鍵鍵長(zhǎng)約1.48?鍵角H-Si-H約109.5°極性Si-H鍵弱極性硅烷的分類功能性硅烷含特殊官能團(tuán)環(huán)硅烷環(huán)狀結(jié)構(gòu)多硅烷含多個(gè)硅原子單硅烷SiH?單硅烷化學(xué)式SiH?物理狀態(tài)無色氣體熔點(diǎn)：-185°C沸點(diǎn)：-112°C特性易燃易爆自燃性強(qiáng)在空氣中自燃多硅烷二硅烷Si?H?三硅烷Si?H?四硅烷Si?H??五硅烷Si?H??環(huán)硅烷環(huán)硅烷是硅原子形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化合物，常見有環(huán)三硅烷、環(huán)四硅烷、環(huán)五硅烷等硅烷的物理性質(zhì)硅烷分子量沸點(diǎn)(°C)熔點(diǎn)(°C)物理狀態(tài)SiH?32.12-112-185氣體Si?H?62.22-14.5-132.5氣體Si?H?92.3252.9-117液體Si?H??122.42108-98液體硅烷的化學(xué)性質(zhì)高活性易氧化、易水解、自燃性強(qiáng)強(qiáng)還原性可還原多種化合物多樣反應(yīng)性可發(fā)生加成、取代、聚合反應(yīng)硅烷的制備方法實(shí)驗(yàn)室方法小規(guī)模合成中試方法工藝優(yōu)化與放大工業(yè)生產(chǎn)大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)硅烷的方法硅粉與氫氟酸反應(yīng)Si+3HF+H?O→SiHF?+H?氟硅酸還原SiHF?+LiAlH?→SiH?+LiF+AlF?純化過程低溫分餾去除雜質(zhì)收集與儲(chǔ)存壓縮氣體或低溫液體形式實(shí)驗(yàn)室制備硅烷的方法鎂硅法Mg?Si+4HCl→2MgCl?+SiH?鋁氫化鋰法SiCl?+LiAlH?→SiH?+LiCl+AlCl?硅氫化鈉法SiF?+NaH→SiH?+NaF硅烷的反應(yīng)性氧化反應(yīng)與氧氣反應(yīng)劇烈水解反應(yīng)生成硅醇和氫氣加成反應(yīng)可與不飽和化合物加成取代反應(yīng)Si-H鍵易被取代聚合反應(yīng)形成硅氧烷聚合物硅烷的氧化反應(yīng)反應(yīng)方程式SiH?+2O?→SiO?+2H?O特點(diǎn)反應(yīng)放熱量大自燃溫度低應(yīng)用沉積二氧化硅薄膜制備高純硅材料硅烷的水解反應(yīng)100%轉(zhuǎn)化率在堿性條件下水解完全25°C常溫反應(yīng)室溫下即可發(fā)生pH>7堿性促進(jìn)堿性條件加速反應(yīng)SiO?最終產(chǎn)物完全水解生成二氧化硅硅烷的加成反應(yīng)氫硅化反應(yīng)烯烴加成炔烴加成羰基加成其他加成硅烷的取代反應(yīng)鹵代反應(yīng)SiH?+X?→SiH?X+HXX=Cl,Br,I醇解反應(yīng)SiH?+4ROH→Si(OR)?+4H?生成硅酸酯氨解反應(yīng)SiH?+4NH?→Si(NH?)?+4H?生成胺基硅烷硅烷的聚合反應(yīng)引發(fā)階段熱或紫外光引發(fā)Si-H鍵斷裂生長(zhǎng)階段形成硅-硅鍵3交聯(lián)階段生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)終止階段自由基偶聯(lián)或歧化功能性硅烷簡(jiǎn)介功能性硅烷是含有特殊官能團(tuán)的硅烷衍生物，在材料改性、表面處理和復(fù)合材料領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。功能性硅烷通常含有Si-OR基團(tuán)和特定官能團(tuán)，能在無機(jī)材料和有機(jī)材料之間形成化學(xué)鍵。功能性硅烷的分類市場(chǎng)占比(%)年增長(zhǎng)率(%)氨基硅烷分子結(jié)構(gòu)含有-NH?官能團(tuán)代表物：γ-氨丙基三乙氧基硅烷特性親水性好堿性環(huán)境穩(wěn)定應(yīng)用提高粘合性改善聚合物與玻璃纖維界面環(huán)氧基硅烷結(jié)構(gòu)特點(diǎn)含環(huán)氧基團(tuán)通式：(RO)?Si-R'-環(huán)氧基代表產(chǎn)品γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷商品名：KH560、A-187主要應(yīng)用環(huán)氧樹脂增強(qiáng)玻璃纖維處理提高復(fù)合材料強(qiáng)度烷基硅烷烷基硅烷含有各種長(zhǎng)度的烷基鏈，如甲基、乙基、丙基、辛基等，主要用于表面疏水處理和保護(hù)涂層。乙烯基硅烷分子結(jié)構(gòu)含C=C雙鍵代表物：乙烯基三甲氧基硅烷特性活性高易參與自由基聚合主要應(yīng)用聚乙烯交聯(lián)電纜材料改性處理工藝SIOPLAS工藝MONOSIL工藝含硫硅烷主要類型巰基硅烷硫代硅烷多硫硅烷代表產(chǎn)品γ-巰丙基三甲氧基硅烷雙-[3-(三乙氧基硅基)丙基]四硫化物應(yīng)用領(lǐng)域橡膠增強(qiáng)輪胎工業(yè)貴金屬吸附甲基丙烯酰氧基硅烷10-15%增強(qiáng)效果復(fù)合材料強(qiáng)度提升百分比85°C熱穩(wěn)定性在高溫下保持性能的上限5年耐候性戶外應(yīng)用下的使用壽命功能性硅烷的應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)療生物材料電子半導(dǎo)體、光電建筑涂料、密封膠汽車輪胎、復(fù)合件紡織防水、防污硅烷偶聯(lián)劑定義連接有機(jī)相和無機(jī)相的橋梁結(jié)構(gòu)含有雙功能基團(tuán)RO-Si-R'-X作用提高界面結(jié)合力改善復(fù)合材料性能硅烷偶聯(lián)劑的作用機(jī)理1水解Si-OR基團(tuán)水解生成Si-OH縮合Si-OH與表面羥基形成Si-O-Si鍵官能團(tuán)相互作用偶聯(lián)劑的有機(jī)官能團(tuán)與聚合物反應(yīng)橋聯(lián)作用形成無機(jī)-有機(jī)界面化學(xué)鍵硅烷偶聯(lián)劑在復(fù)合材料中的應(yīng)用硅烷偶聯(lián)劑在涂料中的應(yīng)用提高附著力增強(qiáng)涂料與基材結(jié)合改善耐水性減少涂層吸水率增強(qiáng)耐候性延長(zhǎng)戶外涂層壽命優(yōu)化顏料分散提高涂料穩(wěn)定性硅烷偶聯(lián)劑在粘合劑中的應(yīng)用增強(qiáng)粘結(jié)強(qiáng)度提高剝離和剪切強(qiáng)度提高耐久性減少老化開裂2改善耐濕熱性減少高溫高濕條件下的強(qiáng)度損失調(diào)節(jié)柔韌性適應(yīng)不同材料的熱膨脹系數(shù)4硅烷交聯(lián)劑定義能使聚合物鏈間形成交聯(lián)鍵的硅烷主要為乙烯基硅烷和含過氧基團(tuán)硅烷特點(diǎn)低溫交聯(lián)工藝簡(jiǎn)單交聯(lián)均勻產(chǎn)品性能優(yōu)良硅烷交聯(lián)劑的作用機(jī)理接枝反應(yīng)硅烷與聚合物分子鏈接枝水解過程接枝硅烷的烷氧基水解為硅醇縮合交聯(lián)硅醇基團(tuán)之間縮合形成Si-O-Si交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)硅烷交聯(lián)劑在聚合物中的應(yīng)用硅烷交聯(lián)聚合物廣泛應(yīng)用于電纜護(hù)套、熱水管、泡沫材料和熱熔膠等領(lǐng)域，顯著提高材料的耐熱性、耐老化性和機(jī)械強(qiáng)度。硅烷交聯(lián)劑在橡膠中的應(yīng)用輪胎工業(yè)提高胎面膠與鋼簾線粘合力密封制品增強(qiáng)硅橡膠力學(xué)性能膠管制品改善耐油、耐熱老化性鞋材應(yīng)用提高鞋底耐磨性硅烷在半導(dǎo)體工業(yè)中的應(yīng)用單晶硅生長(zhǎng)高純度多晶硅原料化學(xué)氣相沉積薄膜和外延層制備摻雜工藝含磷、硼硅烷用于半導(dǎo)體摻雜硅烷在太陽能電池制造中的應(yīng)用硅烷法效率(%)傳統(tǒng)法效率(%)硅烷在光纖制造中的應(yīng)用1原料氣體制備SiH?、GeCl?等高純度氣體火焰水解反應(yīng)形成二氧化硅微粒沉積過程在石英管內(nèi)壁形成多層沉積塌縮拉制加熱塌縮后拉制成光纖硅烷在納米材料合成中的應(yīng)用納米硅粉激光熱解法等離子體化學(xué)氣相沉積法用于鋰電池負(fù)極材料硅納米線氣-液-固生長(zhǎng)法模板法用于高性能傳感器硅量子點(diǎn)溶液法氣相沉積法用于生物成像和光電器件硅烷在表面處理中的應(yīng)用疏水處理形成低表面能涂層防水防污玻璃表面硅烷化改善附著力防霧處理金屬表面處理防腐蝕提高涂層附著力硅烷在防水材料中的應(yīng)用1建筑混凝土深度滲透防水磚石材料透氣型疏水保護(hù)3紡織品耐久型防水整理木材防潮防霉處理硅烷在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用植入材料改善生物相容性1藥物遞送功能化納米載體診斷試劑功能化微球醫(yī)療器械涂層抗菌、抗凝血4牙科材料填充劑和粘合劑硅烷的安全性和毒性硅烷類型毒性等級(jí)危險(xiǎn)特性接觸限值SiH?中等毒性高度易燃,自燃性5ppm氯硅烷強(qiáng)腐蝕性刺激性,易燃1ppm烷氧基硅烷輕微毒性易燃,釋放醇10ppm胺基硅烷刺激性堿性,腐蝕性2ppm硅烷的儲(chǔ)存和運(yùn)輸溫度控制保持低溫避免陽光直射壓力管理定期檢查容器壓力使用減壓閥防潮措施干燥環(huán)境防水密封安全運(yùn)輸專用車輛危險(xiǎn)品標(biāo)識(shí)硅烷的處理和使用注意事項(xiàng)通風(fēng)確保工作區(qū)良好通風(fēng)防護(hù)使用適當(dāng)個(gè)人防護(hù)裝備培訓(xùn)操作人員專業(yè)培訓(xùn)應(yīng)急制定應(yīng)急預(yù)案硅烷的環(huán)境影響<1天大氣壽命在空氣中快速氧化SiO?最終產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為環(huán)境友好的二氧化硅3.2GWP值相對(duì)較低的全球變暖潛能值0ODP值不破壞臭氧層硅烷替代品研究替代方向低毒性低易燃性高穩(wěn)定性可再生資源潛在替代物環(huán)狀硅氧烷低氯硅烷生物基硅酸酯水性硅烷乳液研究熱點(diǎn)綠色合成路線無鹵化合物可降解硅烷低VOC體系硅烷產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀產(chǎn)能分布美國、中國、德國、日本為主1市場(chǎng)規(guī)模全球約30億美元增長(zhǎng)率年均增長(zhǎng)6-8%主要企業(yè)道康寧、瓦克、信越、邁圖全球硅烷市場(chǎng)分析亞太北美歐洲中東和非洲拉丁美洲中國硅烷市場(chǎng)分析產(chǎn)能情況年產(chǎn)能約15萬噸增長(zhǎng)率10-12%進(jìn)口依賴高端硅烷依賴進(jìn)口進(jìn)口量逐年下降企業(yè)分布江蘇、浙江、廣東為主頭部企業(yè)集中度提高技術(shù)水平基礎(chǔ)硅烷技術(shù)成熟功能性硅烷快速發(fā)展硅烷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)綠色化低毒、低污染生產(chǎn)工藝專用化高附加值特種硅烷3一體化上下游產(chǎn)業(yè)鏈整合智能化數(shù)字化生產(chǎn)與管理硅烷產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)安全挑戰(zhàn)易燃易爆特性安全事故風(fēng)險(xiǎn)高儲(chǔ)運(yùn)條件嚴(yán)格技術(shù)挑戰(zhàn)高端合成技術(shù)瓶頸純化難度大專利壁壘環(huán)保挑戰(zhàn)副產(chǎn)物處理難題能耗較高排放問題市場(chǎng)挑戰(zhàn)價(jià)格波動(dòng)大原料依賴性強(qiáng)國際競(jìng)爭(zhēng)激烈硅烷產(chǎn)業(yè)的機(jī)遇硅烷產(chǎn)業(yè)面臨光伏、電子通信、新能源汽車、節(jié)能建筑等新興領(lǐng)域的巨大需求增長(zhǎng)，市場(chǎng)潛力巨大。硅烷技術(shù)的最新進(jìn)展催化劑創(chuàng)新新型非貴金屬催化劑提高轉(zhuǎn)化效率工藝優(yōu)化連續(xù)流反應(yīng)技術(shù)降低能耗30%綠色合成離子液體介質(zhì)減少有機(jī)溶劑使用分析檢測(cè)在線質(zhì)譜監(jiān)測(cè)提高產(chǎn)品純度硅烷在新能源領(lǐng)域的前景