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。

 

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硅醇基團，這些基團與基材表面的羥基或其他官能基團形成穩定的硅氧鍵。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

 

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。

 

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。

 

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	水性塗料/黏合劑	耐高溫材料	耐化學腐蝕
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。	✔	✔	✔	✔		✔

 

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。

 

矽烷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

 

 

 

未來具潛力的矽烷類型

 

1. 雙氮基矽烷（Dipodal Silanes）

 

功能性雙氮基矽烷以及非功能性雙氮基矽烷與功能性矽烷的組合，對於許多複合材料系統的基材結合、耐水解穩定性和機械強度具有重要影響。它們在許多塗層中具有促進作用，特別是在底漆系統和水性浸泡應用中。

這種效果被認為是由於介面區域交聯密度的增加，以及雙氮基材料對水解的抗性（能夠與基材形成六個鍵）估計比傳統偶聯劑（僅能與基材形成三個鍵）的抗水解能力高出近10萬倍所致。

而傳統矽烷偶聯劑（如氨基矽烷、乙烯基矽烷等）通常具有單一的功能基團，水解穩定性較低，且交聯密度較低。這些矽烷偶聯劑在大多數標準應用中具有較好的經濟性，並且與多種材料的結合能力較強。

總結來看，雙氮基矽烷在高性能需求的應用中具有優勢，而傳統矽烷偶聯劑則適用於成本敏感且不需要極高性能的應用。兩者可根據具體需求進行選擇，並可互相結合以達到最佳效果。

 

雙氮基矽烷與傳統矽烷偶聯劑的比較

 

特性	雙氮基矽烷（Dipodal Silanes）	傳統矽烷偶聯劑
分子結構	具有兩個硅原子，每個硅原子與基材形成兩個鍵，總共能與基材形成六個鍵。	通常只有一個硅原子，能與基材形成三個鍵。
水解穩定性	高於傳統矽烷偶聯劑，抗水解能力約為傳統偶聯劑的10萬倍。	水解穩定性較低，易受水分影響。
交聯密度	交聯密度較高，能夠在介面區域提供更強的結合力。	交聯密度較低，可能會在介面處形成較弱的結合。
功能基團數量	可以沒有功能基團，或與其他功能性矽烷搭配使用。	具有功能性基團（如氨基、乙烯基等），通常需要與基材的表面反應。
應用範圍	主要用於提高基材結合力、增強水解穩定性和改善機械強度。	廣泛應用於表面處理、塗料、黏合劑等，特別是在增強界面結合和抗水解方面。
成本	相對較高，因為其具有更高的性能和更強的水解抗性。	通常較便宜，適用於各種標準應用，尤其是在傳統複合材料中。
經濟效益	由於性能優異，通常與其他傳統矽烷偶聯劑共同使用以降低成本。	單獨使用時經濟性較好，通常與非功能性矽烷一起使用，以實現更佳效果。
結合強度	提供較高的結合強度，尤其是在複合材料和耐水解需求較高的應用中。	結合強度較低，尤其在潮濕或極端環境中，可能無法達到最佳效果。
處理方式	可與傳統矽烷偶聯劑一起使用，並按照相同的處理方式進行應用。	以標準的矽烷處理方法進行應用，通常不需要與其他材料混合。

 

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。

 

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. 超疏水矽烷（Superhydrophobic Silane）

這是一類能夠賦予表面極高疏水性（即不容易吸水、拒水）的矽烷化合物。這類矽烷通常通過在表面形成一層特殊的納米結構或塗層，使水滴難以附著在材料表面，並能夠讓水滴在表面形成接觸角超過150度，甚至能夠「滾」掉水珠。

 

主要應用：

自清潔表面：

超疏水矽烷廣泛應用於創建自清潔表面，如玻璃、紡織品、建築材料、電子設備等。水珠可以帶走表面上的灰塵和污垢，從而保持表面的潔淨。比如，在窗戶玻璃、車輛玻璃或建筑外牆塗層上使用，能夠減少清潔頻率並保持表面乾淨。

防水塗層：

在紡織品、衣物、鞋類等表面處理上使用超疏水矽烷，使其具有極強的防水性。例如，雨衣、登山鞋等服裝可以防止水分滲透，保持乾爽。在電子產品外殼上應用，能夠保護電子元件免受水分損害，提高設備的防水性能。

防腐蝕材料：

超疏水塗層可以用來保護金屬表面免受水和其他腐蝕性液體的侵蝕，延長金屬材料的使用壽命。例如，汽車、船舶和建築物的外牆材料可使用這類技術來提高耐久性。

航空航天和汽車行業：

在航空航天領域，超疏水矽烷可用於飛機表面塗層，防止水珠形成並減少對性能的影響。在汽車行業，這種材料常用於車窗和車體外部，幫助減少水滴和雪花的附著，提高行駛視野和安全性。

電子元件保護：

用於手機、電腦、平板等電子產品的防水處理，保護內部元件免受水分、灰塵和污染物的影響。