矽烷（Silane）已經成為現代生活中不可或缺的材料，廣泛應用於各種產品中，提升了我們的生活質量。無論是智能手機的屏幕、家中的浴室鏡子，還是汽車的玻璃，矽烷都在背後發揮重要作用。

 

 

(圖片來源: Pexel)

 

 

你知道矽烷（Silane）其實在日常生活中有很多應用嗎？

 

 

這種看似不起眼的化學物質，實際上在我們周圍的許多產品中發揮著關鍵作用。

 

 

例如，手機屏幕和電視顯示器上常見的抗指紋塗層，通常就含有矽烷成分，這使得表面更加光滑且抗污損。

 

 

此外，浴室和廚房的防水塗料，車窗上的防水膜，甚至是衣物柔順劑，都有矽烷的身影。它能在表面形成一層保護膜，讓水珠滑落，防止污垢積聚，讓清潔變得更加輕鬆。

 

 

不僅如此，矽烷也被廣泛應用於電子產品的封裝材料，增加其穩定性和耐用性。無論是在日常用品還是高科技設備中，矽烷的應用都極大地提升了我們的生活品質，讓世界變得更加智能、便捷。

 

 

(圖片來源: Pexel)

 

 

什麼是矽烷偶聯劑?

 

 

矽烷偶聯劑（Silane Coupling Agents）是一類具有特殊功能的化學化合物，廣泛應用於各種材料的表面處理和界面改性中。這些化合物通常由一個有機基團和三個可水解基團組成，能夠在有機材料和無機材料之間形成強大的共價鍵結合。

 

 

矽烷偶聯劑的核心作用是通過與基材表面的羥基或其他活性基團反應，改善基材的黏附性、濕潤性及機械性能，從而提升複合材料的整體性能。其獨特的結構使其能夠有效地連接不同性質的材料，尤其是在塑膠、陶瓷、金屬、玻璃等基材的改性上發揮重要作用。

 

 

在表面處理過程中，矽烷偶聯劑可通過水解反應生成矽醇基團，這些基團與基材表面的羥基或其他官能基團形成穩定的矽氧鍵。這一反應不僅增強了有機和無機材料之間的黏附力，還能改善材料的耐磨性、耐候性和化學穩定性。

 

 

矽烷偶聯劑在現代材料科學中具有重要地位，尤其在高性能複合材料、黏合劑、塗料及電子產品領域中應用廣泛。透過精確控制反應條件和選擇適當的偶聯劑，可以顯著提高材料的界面性能和產品的品質。

 

 

典型結構式: R-(CH2)n-Si(OR)3

 

 

以下為矽烷主要的優勢: 

 

 

• 優異的附著力

矽烷能與多種基材（如金屬、塑料、玻璃、陶瓷等）形成強力的共價鍵結，顯著提升不同材料之間的附著力，特別是在多樣化的基材組合中。

 

 

• 改善耐環境性能

矽烷能改善材料在極端環境條件下的性能，提升抗濕氣、抗高溫、抗紫外線及耐腐蝕性，延長產品的使用壽命。

 

 

• 增強界面穩定性

矽烷可以有效改善材料界面之間的化學穩定性，減少界面分離或弱化現象，提高整體結構的穩定性和強度。

 

 

• 提高抗老化性能

在接著劑、涂料及其他應用中，矽烷能有效延緩材料的老化過程，對抗氧化及紫外線引起的分解或脆化。

 

 

• 可提高材料的疏水性

矽烷具有優異的疏水性，能使表面具有水珠不易附著的效果，減少水分滲透或腐蝕，對防水防潮材料應用非常有效。

 

 

• 提高機械性能

矽烷可以提高材料的機械強度，如硬度、彈性及抗剪切力等，對於提升復合材料的力學性能尤為重要，特別在電子、航空等高要求領域。

 

 

矽烷偶聯劑主要應用

 

 

矽烷偶聯劑的應用範圍極為廣泛，包括提升玻璃纖維與樹脂的結合性、加強橡膠與金屬的粘附力、以及改善塗層在金屬表面的附著穩定性等。隨著現代工業需求的多樣化，矽烷偶聯劑已成為許多高性能材料不可或缺的關鍵添加劑，對提升產品的耐用性、抗老化性和機械性能起著至關重要的作用。下表為針對不同類型的矽烷表列出所適合的應用。

 

 

表一 : 主要的矽烷類型與應用

類型	結構	特色	複合材料	表面處理	電子封裝	塗料/黏合	耐高溫	耐化學
氨基矽烷（Aminosilanes）	-Si(R)₃NH₂ 或 -Si(R)₃NH(CH₂)n	增強玻璃纖維、塑料、金屬與橡膠間的界面結合力。提供良好的機械強度。	✔	✔			✔
乙烯基矽烷（Vinylsilanes）	-Si(R)₃C₂H₃	適用於耐紫外線的塗料、光學薄膜、橡膠改性等，提供良好的耐候性。	✔	✔	✔	✔	✔
苯基矽烷（Phenylsilanes）	-Si(R)₃C₆H₅	耐高溫，適用於高溫塗料、電子封裝材料，具有抗紫外線和抗氧化特性。	✔	✔	✔		✔	✔
偶聯矽烷（Coupling Agents）	-Si(R)₃X	增強複合材料與金屬、玻璃等基材表面的粘附力，改善界面強度。	✔	✔	✔		✔	✔
氟化矽烷（Fluorosilanes）	-Si(R)₃F	具有疏水性，常用於防水、防污塗層，光學塗層等。		✔	✔	✔		✔
醇基矽烷（Alkoxysilanes）	-Si(OR)₃	提高材料的抗腐蝕性、耐久性，常用於表面處理和改性。	✔	✔		✔		✔
雙氮基矽烷（Dihydroxy Aminosilanes）	-Si(R)₃NH₂	具備兩個氨基基團，可有效增強玻璃纖維、橡膠和金屬間的界面結合力，改善複合材料機械性能。	✔	✔	✔	✔		✔

 

 

1. 矽烷在接著上的應用

 

 

矽烷接著劑不僅能夠增強材料的粘合強度，還能提高耐環境衝擊的能力，尤其是在高溫、高濕或極端條件下的應用中。由於矽烷能夠與水分和空氣中的其他活性成分反應，它的使用可以有效改善接著劑的穩定性、抗老化性以及耐腐蝕性。因此，矽烷已成為現代材料科學中一個重要的增粘劑和界面改性劑。

 

 

表二 : 黏附力在不同金屬或氧化物上的差異

金屬/氧化物材質	矽烷黏附性	主要影響因素	常見應用
鋼（不銹鋼）	非常強	矽烷與不銹鋼表面氧化層形成穩定的共價鍵	鋼材表面保護、金屬塗層、汽車配件
鋁（氧化鋁）	強	矽烷與鋁表面氧化鋁層的結合，提升防腐性能	鋁製產品、建築裝飾、航空器塗層
銅（氧化銅）	強	銅表面氧化層與矽烷的反應，防止氧化	電子產品、接頭、導電塗層
鋅（氧化鋅）	良好	鋅表面氧化層與矽烷結合，提供防腐保護	鋅合金、金屬塗層、鋅鋼板保護
鈦（氧化鈦）	強	矽烷與鈦的氧化層反應良好，增強抗腐蝕性	鈦合金、航空航天、醫療器械
鐵（氧化鐵）	良好	矽烷與鐵表面氧化層反應，增強黏附力	鐵製品防腐、油漆基底、重工業用鋼材
鉻（氧化鉻）	良好	矽烷與鉻氧化層反應，形成保護性膜	鉻製產品防腐、金屬塗層
銅鎳合金	一般	合金中不同元素的反應性影響黏附力	銅鎳合金配件、裝飾品、防腐層
鉛（氧化鉛）	一般	鉛表面氧化層對矽烷的黏附力較弱，需要處理	電池、鉛板、電器元件防護
鎳（氧化鎳）	一般	鎳表面氧化層對矽烷的反應性較弱	鎳合金、電鍍、電子元件

 

 

2. 矽烷在表面疏水的應用

 

 

矽烷（silane）表面處理技術在材料科學中扮演重要角色，尤其是其疏水性能的應用備受關注。矽烷分子結構中既包含能與基材表面發生化學鍵結的反應性官能團，又帶有賦予疏水性的非極性有機取代基。這種雙重特性使其能有效改變表面的濕潤性質，為多種工業與日常應用提供解決方案。

 

 

(圖片來源: Pexel)

 

 

疏水表面的形成依賴於矽烷的有機取代基類型、表面覆蓋率及反應條件。含有脂肪烴或氟化烷基的矽烷可顯著提升疏水性，並且能透過消除基材表面的羥基來減少水分吸附點。典型應用如玻璃和金屬表面的疏水處理，不僅能提高抗水性，還能減少表面污漬附著。例如，汽車側窗經過氟烷基矽烷處理後，雨水能形成水珠迅速滑落，帶走表面污垢，達到自清潔效果。此外，矽烷塗層具有良好的水氣透過性，可防止塗層下積水導致的材料劣化，這在建築混凝土保護中尤為重要。

 

 

表三 : 主要疏水技術比較

材料名稱	原理	優點	缺點	應用
矽烷（Silane）	通過化學反應在表面形成保護膜	提高黏附性、濕潤性及機械性能	需要特定條件下使用	電子產品封裝、防水塗料
氟化物	利用氟化物的低表面能特性	優異的防水、防油性能	成本較高，耐久性有限	電子產品、紡織品
石墨烯	利用石墨烯的疏水性和導電性	優異的導電性和機械強度	製備工藝複雜，成本高	電子元件、複合材料
矽氧烷（Siloxane）	通過矽氧鍵形成穩定的疏水層	優異的耐熱性和化學穩定性	需要特定條件下使用	建築材料、醫療器械
聚四氟乙烯（PTFE）	利用PTFE的低摩擦係數和疏水性	優異的耐化學性和耐熱性	成本較高，難以加工	防腐塗料、機械零件
蠟	通過在表面形成疏水層	成本低，易於應用	耐久性較差，需定期重新塗覆	木材保護、皮革護理

 

 

未來具潛力的矽烷類型

 

 

1. 雙足型矽烷（Dipodal Silanes）

 

 

雙足型矽烷（Dipodal Silane）是一種具有獨特結構的矽烷偶聯劑，廣泛應用於表面改質和界面改性。其特點在於分子中含有兩個能夠透過氧烷鍵鍵結到表面的矽原子，這使得雙足矽烷在提升基材黏合性、水解穩定性和機械強度方面具有顯著優勢。與傳統的單足矽烷相比，雙足矽烷能夠形成更多的鍵結，從而提供更高的耐水解性和更強的黏附力。

 

 

表四 : 雙足型矽烷與傳統矽烷比較

特徵	雙足型 Dipodal Silane	傳統 Silane
結構	具有兩個矽原子，通常與有機基團或官能基連接在兩端	只有一個矽原子，與有機基團或官能基連接在單一端
化學式	通常為 R-Si(OR')₂ (R為有機基團, OR'為官能基)	通常為 R-Si(OR)₃
功能基團數量	具有兩個功能基團，能形成更強的交聯結構	只有一個功能基團，主要用於單一基材的接合或修飾
交聯能力	具有較強的交聯能力，能提供更多的反應位置	交聯能力較弱，適用於簡單的基材表面處理
穩定性	較高的穩定性，尤其在複雜表面處理中	穩定性較差，容易受潮、熱等環境因素影響
應用領域	常見於高性能材料、黏合劑、塗料、表面改性等	廣泛應用於表面處理、玻璃、金屬等的粘結
優點	增加了交聯結構，適合更高要求的應用	成本較低，製備簡單，適用於一般用途
缺點	較為複雜，製備成本較高	交聯能力較差，難以達到高性能材料的要求
反應性	反應性較強，適用於需要多重官能基的應用	反應性較低，適用於較簡單的接合或修飾

 

 

在電子行業中，Dipodal silane 主要應用於 表面改性、封裝、導電材料處理、微電子製程等方面。其強大的交聯能力和功能基團使其在提高材料附著力、改善界面穩定性、增強電子元件的長期可靠性等方面具有重要價值。

 

 

電子元件封裝過程中，可作為界面修飾劑，以提高材料（如矽芯片與封裝材料之間）的附著力，從而增強封裝的機械穩定性和可靠性。​如半導體芯片封裝：改善封裝材料（如環氧樹脂）與矽片之間的粘結性，減少熱膨脹引起的應力損傷。具有良好熱導性的封裝材料，避免在高溫運行時發生失效。

 

 

(延伸閱讀 : 二氧化矽，奈米等級球形結構，是半導體封裝、銅箔基板填料的最佳選擇!!)

 

 

在多層印刷電路板（PCB）製造中，雙足矽烷被廣泛應用於增強金屬與樹脂之間的黏合，減少界面水吸附，從而提高PCB的穩定性和可靠性。此外，雙足矽烷在塗料、黏合劑和複合材料中也發揮著重要作用，特別是在需要高耐久性和高性能的應用中。

 

 

在導電材料和導電膠應用上，可用作導電膠或導電材料的改性劑，幫助改善導電填料（如銀粉、碳黑等）在基材中的分散性和穩定性。如在封裝中使用導電膠時，雙足型矽烷增加了填料與膠體基質之間的粘結力，確保導電材料的長期穩定性。並可增強導電膠的機械強度和耐熱性，特別是在高頻率或高溫環境中的應用。

 

 

在顯示器與顯示技術上，可用於顯示器的光學透明塗層，或增強顯示技術中的基材（如玻璃、塑料）的耐久性與表面性能。​如在OLED顯示器中，可用來處理基板表面，提高OLED層與基材之間的附著性，從而提高顯示效果的穩定性。或用於抗反射塗層、抗指紋塗層，改善顯示器表面的耐用性和美觀。

 

 

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在微電子元件的製程中，常用於改性矽表面或其他材料表面，促進功能性材料的沉積、結合和導電性。如於矽片表面處理：用於矽表面（如在集成電路製造中）改性，以提高後續製程中的材料沉積、氧化或金屬化的效率和效果。薄膜沉積：通過在表面使用雙足型矽烷，改善薄膜的均勻性和附著力。

 

 

在電池技術中可用於界面修飾，提升電池材料（如負極材料與電解質）之間的界面穩定性，增強電池的循環壽命和性能。提高電池材料的抗腐蝕性和耐高溫性，尤其是在高功率設備中的應用。在鋰電池中，可用於改善鋰電池電極的表面性能，增強鋰離子在電極表面的導電性和穩定性。

 

 

在薄膜晶體管（TFT）顯示技術中，用於增強有機材料與無機材料（如玻璃或塑料基板）之間的附著力，從而提升顯示效果和使用壽命。在TFT製程中，可改善薄膜晶體管基板的表面性質，幫助提高薄膜的沉積質量和電氣性能。

 

 

除此之外，雙足型矽烷也可用於微型傳感器和MEMS裝置的表面處理，增強傳感器元件的穩定性、靈敏度及耐用性。增強 MEMS 元件表面的抗磨損性和抗腐蝕性，延長其使用壽命並提高精度。用於感測材料（如壓電材料）的界面處理，提高信號轉換效率和穩定性。

 

 

 

2. POSS 環狀矽氧烷（Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane）

 

 

這是一類具有特殊結構的矽氧烷，它由許多矽氧四面體通過氧橋相連組成，形成分子結構如多面體的聚合物。這些分子具有高度對稱的結構，並且由於其化學穩定性和可調節的物理性質，廣泛應用於高性能材料、塗料、電子產品等領域。它的特色主要有以下幾點:

 

• 高度對稱的多面體結構

POSS 由多個矽氧四面體組成，通過氧橋相連，形成穩定的三維結構。這種結構通常是八面體（Octahedral）、十面體（Decahedral）、二十面體（Icosahedral）等形式，具有高度的對稱性。這種結構賦予它們優異的化學穩定性和力學性能。

 

• 優異的熱穩定性

POSS 分子結構中的矽氧鍵（Si–O）非常穩定，使得 POSs 在高溫環境中表現出良好的熱穩定性。這使它們成為高溫材料和電子封裝材料的理想選擇。

 

• 高度的化學穩定性

POSs 具有出色的耐化學性，包括對酸、鹼、溶劑和氧化劑的耐受能力。這使得它們能在極端化學環境下使用，如防腐蝕塗層和耐化學材料中。

 

• 低介電常數與絕緣性

POSS 具有優良的電氣絕緣性能。其低介電常數使其在電子材料中廣泛應用，如電子封裝、絕緣材料等，能有效降低信號傳遞損失。

 

• 可調的物理性質

POSS 可以根據需求進行結構設計和化學改性，實現各種不同的性能特徵。例如，通過引入不同的官能基團（如氨基、氟基、醇基等），可以調節其極性、親水性、溶解性等性質，滿足不同應用的需求。

 

• 良好的光學性能

某些類型的 POSs，特別是含有氟元素的 POSs，表現出極好的透明性和光學性能。它們在光學材料和光纖領域中有潛在的應用價值，並可作為高性能塗料、光學薄膜等材料。

 

• 增強材料的機械性能

當 POSS 用作高分子材料的添加劑時，能顯著提高材料的機械強度、硬度、耐磨性和抗老化性能。它們可用於塑料、橡膠、複合材料的改性，增強材料的結構性能。

 

• 高表面活性

POSS 具有較高的表面活性，可以與其他材料（如金屬、玻璃、纖維等）形成強的化學結合力。因此，它們在表面改性、偶聯劑和黏合劑等應用中具有重要作用。

 

• 環境友好

相對於一些傳統的高分子材料，POSS 具有較低的環境影響，並且可以通過選擇合適的合成方法來降低其對環境的影響。因此，它們也被認為是可持續發展和環保材料的潛力材料。

 

 

3. 丁二烯聚合物改性矽烷 (Butadiene Modified Silane)

 

 

丁二烯改性矽烷是一種經過特別設計的化合物，將丁二烯（Butadiene）聚合物與硅烷偶聯劑結合，兼具有機和無機特性。這種改性材料在增強聚合物基材料與無機填料或金屬表面間的界面粘結性能方面表現出色，廣泛應用於粘合劑、密封劑、塗料和複合材料等領域。

 

 

表五 : 丁二烯聚合物改性矽烷偶聯劑與傳統矽烷比較

特性	丁二烯聚合物改性矽烷 (Butadiene)	傳統矽烷
結構組成	含有丁二烯聚合物和矽烷功能團，具有有機-無機雙重特性。	主要由矽氧烷結構組成，功能團單一。
彈性與柔韌性	丁二烯聚合物提供更好的彈性和柔韌性，適合動態應力應用。	彈性和柔韌性較低，多用於剛性材料界面處理。
界面粘結性能	兼具有機和無機材料的粘結能力，粘結性能更強，適合複雜界面。	偏向於無機材料與基材的界面粘結。
耐候性與耐化學性	改性後的結構增強了耐紫外線、耐氧化和耐化學腐蝕的性能。	耐候性和耐化學性能有限，在苛刻環境下效果下降。
應用靈活性	適用於複合材料、密封劑、粘合劑、塗料和橡膠工業等多種場景。	主要用於填料改性和塗料增強，應用範圍較窄。
加工性能	丁二烯部分提升了材料的加工適應性，易於形成均勻分散。	加工要求較高，需特定條件才能達到理想效果。
成本	由於改性材料和工藝，成本相對較高。	結構簡單，成本較低。
環保性	可通過分子結構調整，降低VOC排放，符合環保標準。	部分矽烷可能存在較高的VOC排放。

 

 

 

4. 甲基矽烷(Methylsilane)

 

 

甲基矽烷是一種重要的矽基化合物，在電子業中具有廣泛的應用，特別是在半導體製造、薄膜沉積和先進電子元件開發領域。其獨特的化學結構和高反應性使其成為不可或缺的材料之一。作為化學氣相沉積工藝（CVD）的前驅體材料，能在高溫或等離子環境下分解，沉積形成高品質的薄膜。甲基矽烷廣泛應用於半導體晶片的加工過程中，用於沉積低介電常數（low-k）材料和絕緣層。低介電常數材料能減少晶片內部的電容效應，提升信號傳輸速度，降低功耗。甲基矽烷的有機基團（CH₃）有助於引入多孔結構，使薄膜具有更低的介電常數，同時保持良好的機械穩定性。

 

 

表六 : 甲基矽烷的應用比較

應用領域	主要用途	核心優勢	限制或挑戰
半導體製造	- 沉積低介電常數（low-k）薄膜 - 絕緣層和保護層材料	- 提升訊號傳輸速度，降低晶片功耗 - 有機基團（CH₃）引入多孔結構，改善性能	- 製程條件需精確控制，避免薄膜缺陷 - 生產成本相對較高
化學氣相沉積（CVD）	- 沉積矽化物和碳化矽（SiC）薄膜 - 透明矽基薄膜，用於光電設備	- 反應性高，能形成均勻且高純度的薄膜 - 高透光性與導電性，可應用於光伏電池和顯示屏	- 在高溫或等離子環境下可能出現分解不均現象 - 與其他矽烷前驅體相比，特定應用範圍受限
光電元件	- 製造太陽能電池和顯示屏中的透明導電薄膜	- 提供穩定性和透光性，有效提升光電轉換效率	- 與ITO（氧化銦錫）相比，性能仍有差距
封裝技術	- 電子封裝中的防護塗層	- 提高電子元件的防潮、防氧化性能	- 高精密封裝要求特殊工藝設備
能源領域	- 用於新型燃料和火箭推進劑研究	- 燃燒效率高，能量密度優異	- 安全性要求高，需特別處理和儲存
材料科學	- 合成矽樹脂和其他矽基材料	- 提供良好的化學穩定性和機械性能	- 與傳統矽烷相比，製備成本偏高

 

 

結語

 

 

矽烷偶聯劑的多功能性不僅體現在高端技術領域，也在我們日常生活中隨處可見。這些化合物的應用範圍廣泛，從家電產品到建築材料，甚至在醫療器械中都有著重要的作用。

 

 

它的多功能性不僅提升了高性能材料的性能，也在我們的日常生活中發揮著至關重要的作用，從家居裝修到電子產品，再到醫療器械，無一不受其影響。這些技術的廣泛應用，正是現代科技與生活品質提升的具體體現，未來隨著新材料技術的發展，矽烷偶聯劑的應用將更加普及，帶來更多創新與便利。