最近，國家電網朝陽供電公司在電力架空線路上使用了硅橡膠作為絕緣護罩，有效的提升了輸電線路的絕緣水平及安全性，被大家親切稱為“小紅帽”。其實，硅橡膠是有機硅材料的一種，有機硅材料在諸多領域大顯神威，今天就讓我們認識一下它們！
圖1 被親切稱為“小紅帽”的絕緣子保護罩，硅橡膠材質制成（來源：網頁截圖）
01 什么是有機硅材料？
有機硅材料又稱有機硅化合物，指的是含有硅碳鍵（Si-C）、且至少有一個有機基團是直接與硅原子相連的化合物，習慣上也常把那些通過氧、硫、氮等使有機基團與硅原子相連接的化合物也當作有機硅化合物。
自然界中至今未發現有機硅化合物的存在，化學家把石英砂中的硅和有機大分子結合起來，創造出一種“雜交”新材料，人們叫它“有機硅”。有機硅化合物的種類繁多，包括聚硅氧烷、聚硅烷、聚碳硅烷、聚氮硅烷等。有機聚硅氧烷是其中最重要的一類，約占有機硅材料總用量的90%以上。如今，中國聚硅氧烷產能占比已經達到全球生產比例的67%，已成為世界最大的有機硅生產、消費和原材料凈出口國[1]。
目前，有機硅產品已經有2000種以上，常用的有硅油、硅橡膠、硅樹脂等達1000多種。以下詳細介紹這三種最常用的有機聚硅氧烷類產品:
1.硅油：室溫下保持液體狀態的線型聚硅氧烷產品。一般分為甲基硅油和改性硅油兩類。
?硅油的絕緣性能使其成為電氣工業中的重要材料，用于制造絕緣油、電纜油、變壓器油等。
?可作為橡膠和塑料的加工助劑，改善其加工性能和產品質量。
?作為化妝品的重要成分，具有良好的潤滑性和皮膚滲透性。
?由于硅油優異的熱穩定性，實驗室選用二甲基硅油作為油浴鍋用油。
2.硅橡膠：由線性聚硅氧烷與增強填料混合，加熱加壓條件下硫化生產的合成彈性體。硅橡膠自身顏色是透明的，可通過表面著色和混料著色來得到不同顏色的硅橡膠制品。
?汽車工業：汽車點火線、火花塞保護罩、加熱及散熱器用軟管和蓄電池接頭等。
?電子、電氣行業：高壓保護罩、電纜設備和硅橡膠制造的絕緣子等[2]。
?航空航天：飛機密封開關和氧氣面罩等，耐灼燒硅橡膠還可用于制造火箭燃油閥門和動力源電纜等。
?醫療領域：隔音耳塞、隱形眼鏡、人造血管和器官等[3]。
圖2 中國自主研發的首個全磁懸浮式“人工心臟”（來源：央視新聞視頻截圖）
3.硅樹脂：一種熱固性塑料，含高度交聯網狀結構的聚硅氧烷。
?可用于制備防腐蝕、耐高溫和疏水性能的涂層，如電子封裝、外墻涂料等領域。
?由于其絕緣性可應用于電線、電機、變壓器等領域。
?用作制備有機硅塑料、半導體封裝塑料和泡沫塑料。常用于包裝、管材等領域。
圖3 大型輪船外層涂有防腐蝕的有機硅樹脂涂層（來源：新華社）
02 有機硅材料的誕生與發展
早在18世紀，法國科學家首次制備有機硅材料四乙基硅烷（SiEt4），之后的英國諾丁漢大學的科學家Kipping對有機硅材料進行了系統的研究，他不僅采用了格氏反應合成有機氯硅烷，還為有機硅化合物制訂了命名規則，為后世的科學工作者們在研究有機硅材料方向打下了基礎[4]。
在第二次世界大戰期間，學者Hyde和Patnode等制備出有機硅絕緣脂，具備耐潮耐熱的功能，能夠在高溫高速運行的電器設備和飛機點火系統中使用。此后，多種初期的有機硅材料相繼問世，如上文提到的二甲基硅油、有機硅涂料等。
1940年，學者Rochow發明了硅直接在高溫下與氯烴反應合成烴基氯硅烷的方法，大大改善了之前格氏反應的不足之處，直接法合成烴基氯硅烷被認為是有機硅化學史上具有劃時代的成就之一，后續根據此發明開發出了歷史上第一臺合成甲基氯硅烷的流化床，為工業化生產有機硅奠定了基礎。
此后全球陸續出現了大大小小的有機硅生產廠，到21世紀初已經形成了幾個規模龐大的跨國公司，開發的有機硅商品的品種更是達到幾千種之多。
圖4 有機硅材料的國外發展史重要節點（來源：作者自制）
03 后來居上！有機硅在我國的發展
新中國成立初期，有機硅材料在世界上尚屬于新興產業。我國一大批科學家們依靠自己的力量，自力更生走上了研發有機硅材料的道路上。他們先是從文獻資料的準備開始入手，重工業部北京化工試驗所成立了以楊大海工程師為組長的有機硅課題組，做了大量的外文文獻的收集和整理工作，對世界前沿的有機硅學科展開研究，進而投入到組織下發的任務中。
課題組決定先用沸點較高的氯乙烷合成乙基氯硅烷進行嘗試，經過努力，1954年乙基氯硅烷順利合成出來，有機硅探索試驗獲得了成功。與此同時，當時的組員之一陳演漢同志整理出版了我國最早的中文有機硅譯文集《矽有機化合物》[5]。（矽系化學元素硅的舊稱）
圖5 《矽有機化合物》書影（來源：網絡截圖）
1955年，在楊冬麟同志的帶領下，沈陽化工綜合試驗所（由上文所提到的北京化工試驗所搬遷整合而來）研發出我國第一款有機硅產品——耐500℃高溫的涂料。緊接著國內成立了第一個有機硅生產車間——208車間，生產耐500℃高溫涂料并大批量提供給飛機制造廠。
在分析國內電器、軍工、航空等領域對有機硅材料的需求形勢后，開發合成有機硅單體成為首要任務，楊大海總工程師帶領著一批干將選擇甲基氯硅烷作為合成硅油、硅橡膠的基本單體，并且在208車間建立甲基氯硅烷的合成工段。
1958年，研制出可運用在飛機上的航空潤滑油、潤滑脂（原料為純度非常高的二甲基二氯硅烷）。1997年，國內甲基氯硅烷產量突破了萬噸大關。進入21世紀以后，甲基氯硅烷的產量節節攀升，現如今有機硅產量穩居世界第一位[6]。
經過幾代人的拼搏奮斗，硬是打破了中國有機硅市場被跨國公司所左右的局面和形成的壁壘，取得了自主創新和知識產權，掌握了核心技術，充分證實了不甘落后的中國人有能力、有決心打造中國的有機硅產業。
圖6 有機硅材料在中國的發展（來源：作者自制）
04 有機硅新材料的前沿研究與未來應用展望
1987年，我國創立了現如今的《有機硅材料》中文期刊，主要報道國內外有機硅方面的新技術、新工藝、新產品及有機硅產品的新應用等，提供有機硅材料市場、會議及中國國內外信息。現如今的有機硅產業正在蓬勃發展中，在碳中和碳達峰背景下，新能源汽車等需求的大幅增長將直接帶動有機硅需求的增長。相關部門也出臺了相應的政策鼓勵支持有機硅材料的發展[7]。有機硅材料具有廣闊的應用前景，尤其是在電子器件、生物醫學、光電材料和3D打印等領域，在深入的研究和探索下，有機硅材料將在材料科學和工程領域內發揮出更為優異的作用。
參考文獻：
[1] 胡娟,肖楠,譚亦可,等.2022年國內有機硅進展[J].有機硅材料,2023,37(03):68-89.
[2] 李秀芝.硅橡膠材料在電力設備外絕緣上的應用[J].電氣技術與經濟,2023(06):159-161+166.
[3] 張承焱.硅橡膠在生物醫學領域的應用[J].有機硅材料,2002(06):14-17.
[4] Thomas, N.R. Frederic Stanley Kipping—Pioneer in Silicon Chemistry: His Life & Legacy. Silicon 2, 187–193 (2010). https://doi.org/10.1007/s12633-010-9051-x
[5] 傅積賚.有機硅工業及其在中國的發展[M].北京:化學工業出版社，2006.
[6] 謝曼,干勇,王慧.面向2035的新材料強國戰略研究[J].中國工程科學,2020,22(05):1-9.
[7] 人民網.安徽省出臺“十四五”新材料產業發展規劃[EB/OL] (2022-04-13) [2024-07-09]. http://ah.people.com.cn/n2/2022/0413/c358428-35219807.html
作者：高煌 中國科學院蘭州化學物理研究所材料學博士生
審核：姚巧紅 高級工程師、北京大學化學與分子工程學院博士
出品：科普中國
監制：中國科學技術出版社有限公司、中科數創（北京）數字傳媒有限公司
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