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有機硅對人類影響之有機硅工作生活妙用多
來源:360+改 作者:強力化工 發布時間:2023-03-13 09:53 閱讀次數:2145

      

從常見的半導體器件到航空航天領域,從太陽能電池到建筑領域,從人工關節到醫療領域,硅已經滲透到我們生活中的方方面面,這篇文章我們就來看看硅是如何大行其道的。

一、建筑領域


       在中國,每年建材生產使用了67,600噸有機硅,占亞洲有機硅在這一細分領域銷售量的41%。自2010年起,建筑行業為中國提供了約9%的就業崗位。
       有機硅產品應用于建筑密封膠、粘合劑與保護性涂層中。這些有機硅產品有助于保護、增強、保存建筑,并為建筑提供了美觀、創新的特點。有機硅之所以廣泛用于建筑行業是因為:有機硅能與混凝土、玻璃、花崗巖、大理石、鋁、鋼鐵與塑料等眾多材料粘合;有機硅具有耐久性,可以抵抗惡劣天氣、潮濕或陽光帶來的腐蝕;有機硅可以提升建筑能效,有機硅用作密封膠時可以耐潮,并抵御接縫與縫隙處傳來的冷熱空氣,有機硅還有助于隔熱;有機硅提供了靈活性,減少中低強度地震對建筑的損壞。多虧了上述獨特性能,有機硅不僅對居民樓與辦公樓至關重要,也是橋梁、鉆井平臺、工業工廠與管道中不可或缺的材料。
       由于SiO?氣凝膠的納米孔超級絕熱性能,在建筑節能領域有著廣泛和極具潛力的應用價值。SiO?氣凝膠是一種由納米SiO?骨架組成的半透明材料,它的孔隙率高達99%,密度為0.05~0.2g/cm3,凝膠尺寸小于50nm,孔直徑小于分子的平均自由程,熱導率常溫下為0.03~0.05W/m·K。
      建筑用SiO?氣凝膠應用有氣凝膠節能窗、氣凝膠涂料、氣凝膠新型板材和屋面太陽能集熱器。
1.氣凝膠節能窗
      硅氣凝膠材料有很小的孔結構,比可見光的波長小很多。在氣凝膠中,約占體積95%~99% 的空氣存于比空氣平均自由路徑小的細孔中。由于氣凝膠具有足夠的抗壓強度,能平衡外界氣壓,抽真空的氣凝膠窗就可以作為透明的分隔條使用。
2.氣凝膠新型板材
 采用氣凝膠生產新型絕熱板材是現在國內外研究的重點之一。它是一種防潮、防霉、防菌、抗紫外線的完全可循環材料,它不易燃燒且在其生產過程中對臭氧層無任何的破壞作用。


3.屋面太陽能集熱器
      隨著納米孔超級絕熱材料生產技術的不斷成熟和生產成本的不斷降低,該材料首先應用在家庭及單位的太陽能熱水器。將納米孔超級絕熱材料應用于熱水器的儲水箱、管道和集熱器,將比現有太陽能熱水器的集熱效率提高一倍以上,而熱損失下降到現有水平的30% 以下。
有機硅用于建筑材料,提升可持續性與能效:在相同應用中,有機硅密封劑比有機材料密封劑的壽命最多長3倍;在裸露的建筑表層使用有機硅樹脂乳膠漆可最多減少40%的熱損耗與傳統建筑材料相比,有機硅添加劑或涂層可最多減少80%的建筑吸水,這有助于減少材料降解,延長處理后的材料壽命。

二、醫療領域

      自1960年以來,由于硅橡膠的優良性能,特別是優良的生物相容性與生物惰性,使其在醫療器械領域中得到了越來越多的應用。
      在已有的醫用硅橡膠應用中,短期接觸型的醫療器械包括人體導液管、輸液管、喉管、有機硅粘結劑和潤滑劑等;長期植入型醫療產品包括人工乳房、人工關節、面部植入體等等。
      醫療領域中有機硅材料的分類和特點:
1.硅油
      線性聚硅氧烷在一定的分子量范圍內為流動的液態,其粘度隨聚硅氧烷的分子量的增大而增加,同時側基上官能團的位阻效應或極化效應也對其有很大影響,使硅油的粘度增加。工業上直接使用的硅油,不含有反應性基團,側基多為甲基、苯基、氨基、氟丙基等,多作為潤滑劑、消泡劑,在各個領域均有廣泛應用。
2.硅凝膠
      線性聚硅氧烷的側基上含有可反應性的基團,在催化劑和一定條件下,可與交聯劑進行反應,交聯后形成柔軟透明的有機硅凝膠。線性聚硅氧烷上的活性基團包括Si-OH, Si-O-Me, Si-O-Et, Si-Vi等,交聯劑為含兩個或兩個以上官能團的硅烷或硅氧烷,催化劑為Sn, Pt、胺等。
3.有機硅壓敏膠
      有機硅壓敏膠是由高分子量甲基乙烯基聚硅氧烷和硅樹脂組成,并加人一定量溶劑進行稀釋。在使用有機硅壓敏膠時,一般加入過氧化物或Pt催化劑、交聯劑硫化后使用,但在有些場合也在不硫化時使用。
4.有機硅彈性體
      有機硅彈性體是有機硅材料在醫療領域中最廣泛的應用,大致可分為高溫混煉膠(HCE)、液體硅橡膠(LSR)和室溫硫化硅橡膠(RTV)。其中,高溫混煉膠是由高分子量的甲基乙烯基聚硅氧烷、補強填料和加工助劑混煉而成。在未硫化前呈橡皮泥狀,加人硫化劑后,在加熱條件下進行交聯反應,形成三維網絡結構的彈性體。

三、電子器件領域

1.單晶硅
     單晶硅是一種比較活潑的非金屬元素,是晶體材料的重要組成部分,處于新材料發展的前沿。
 單晶硅主要用于制作半導體元件,是制造半導體硅器件的原料,用于制大功率整流器、大功率晶體管、二極管、開關器件等。其后續產品集成電路和半導體分離器件已廣泛應用于各個領域,在軍事電子設備中也占有重要地位。
2.多晶硅
      多晶硅,是單質硅的一種形態。熔融的單質硅在過冷條件下凝固時,硅原子以金剛石晶格形態排列成許多晶核,如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒,則這些晶粒結合起來,就結晶成多晶硅。
3.硅晶片(包括切片、磨片、拋光片)
      硅屬于半導體材料,其自身的導電性并不是很好。然而,可以通過添加適當的摻雜劑來精確控制它的電阻率。制造半導體前,必須將硅轉換為晶圓片(wafer)。這要從硅錠的生長開始。單晶硅是原子以三維空間模式周期形成的固體,這種模式貫穿整個材料。多晶硅是很多具有不同晶向的小單晶體單獨形成的,不能用來做半導體電路。多晶硅必須融化成單晶體,才能加工成半導體應用中使用的晶圓片。加工硅晶片生成一個硅錠要花一周到一個月的時間,這取決于很多因素,包括大小、質量和終端用戶要求。超過75%的單晶硅晶圓片都是通過Czochralski(CZ,也叫提拉法)方法生長的。
4.外延片
      外延是半導體工藝當中的一種。在bipolar工藝中,硅片最底層是P型襯底硅(有的加點埋層);然后在襯底上生長一層單晶硅,這層單晶硅稱為外延層;再后來在外延層上注入基區、發射區等等。最后基本形成縱向NPN管結構:外延層在其中是集電區,外延上面有基區和發射區。外延片就是在襯底上做好外延層的硅片。
半導體制造商主要用拋光Si片(PW)和外延Si片作為IC的原材料。外延產品應用于4個方面,CMOS互補金屬氧化物半導體支持了要求小器件尺寸的前沿工藝。CMOS產品是外延片的最大應用領域,并被IC制造商用于不可恢復器件工藝,包括微處理器和邏輯芯片以及存儲器應用方面的閃速存儲器和DRAM(動態隨機存取存儲器)。分立半導體用于制造要求具有精密Si特性的元件?!捌娈悺保╡xotic)半導體類包含一些特種產品,它們要用非Si材料,其中許多要用化合物半導體材料并入外延層中。掩埋層半導體利用雙極晶體管元件內重摻雜區進行物理隔離,這也是在外延加工中沉積的。
       非晶硅的化學性質比晶體硅活潑。結構特征為短程有序而長程無序的α-硅。純α-硅因缺陷密度高而無法使用。采用輝光放電氣相沉積法就得含氫的非晶硅薄膜,氫在其中補償懸掛鏈,并進行摻雜和制作pn結。主要用于提煉純硅,制造太陽電池、薄膜晶體管、復印鼓、光電傳感器等。、

四,消費品領域


       中國的個人護理與消費品行業每年采購約50,000噸的有機硅。在中國,僅個人護理產品行業就支撐了約250萬就業崗位。
在這一領域,有機硅聚合物與環氧烷主要用于溶劑與產品載體。在個護領域,有機硅用于:
除臭劑,護發、護膚、防曬產品、化妝品;在加工方面,有機硅提供了多種優勢,例如透明、無色無味、在皮膚表面快速蒸發、低皮膚致敏性等,除此之外,有機硅還為產品提供了一種光亮順滑的感覺。
消費品領域,有機硅用于生產:家用拋光劑、洗滌劑、蠟、廚房用品、嬰幼兒產品。
有機硅柔韌,耐熱,耐細菌,因此格外適合用于廚房用具。有機硅廚房用具的種類無比豐富,從烘焙模具、防熱手套到可壓縮食品容器與鴨嘴杯等。
在消費品行業,有機硅可以顯著降低能耗:有機硅在洗滌劑與織物柔順劑中用作消泡劑,可減少洗衣機的用水量與能耗。

五、能源工業領域


      納米硅材料具有比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大等特點,經表面修飾后,在油田降壓增注、三次采油以及水處理中已開始逐步應用,顯示出巨大的潛力。
      納米硅材料是 21 世紀科研領域的熱點,其組成主要以二氧化硅為主,具有極強的憎水親油能力以及無毒、無味、無污染等特性,離散顆粒尺寸一般為10 ~ 500 nm。納米硅材料具有顆粒尺寸小、比表面大、表面能高、表面原子所占比例大等特點,以及小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應及宏觀量子隧道效應等多種納米效應,可廣泛應用于各個領域,具有廣闊的應用前景和巨大的商業價值。
有機硅有助于節約成本,因為有機硅具有以下特性:透明、穩定性、低反應性、耐溫度與耐候性、中性固化(避免腐蝕性副產物)、粘著性、靈活性。在風力渦輪機制造中,有機硅也用作粘合劑與潤滑劑。有機硅可提高轉子葉片的耐用性和耐候性通過提高耐用性和強度,同時減輕重量,有機硅有助于生產出能源潛力更高、尺寸更大的風力渦輪機;有機硅潤滑劑有助于降低渦輪機維護成本,同時最大限度地提高能效;在油氣領域,有機硅是使用最廣的消泡劑,因為有機硅:提高了油氣開采率,同時減少用水量并提高效率;在油井、鉆井平臺、煉油廠和油類運輸的過程中維持吞吐量和產量通過防止漏油和下游設備損壞來節省成本;不僅如此,有機硅在輸配電的地下電纜以及變壓器中用作絕緣體。有機硅可將地下電纜的使用壽命延長最多20年,避免了更換或修復電纜,降低成本,變壓器中使用有機硅可提高電力傳輸的耐久性,并有助于防止停電

六、航空航天領域

     SiO?氣凝膠改性后還可以用作氣體過濾器、化學催化劑載體、無害高效殺蟲劑等。例如,吡啶是焦化廢水中典型的難降解有機物,用TiO2/SiO2氣凝膠作為催化劑,在紫外光照射下可有效地降解吡啶。


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