Les composés organiques à base de silicium sont un grand groupe de composés. Le deuxième nom, plus courant, est celui des silicones. Le champ d'application des composés organosiliciés ne cesse de croître. Ils sont utilisés dans presque tous les domaines de l'activité humaine - de l'astronautique à la médecine. Les matériaux qui en sont issus ont de hautes qualités techniques et de consommation.
Concept général
Les composés organosiliciés sont des composés dans lesquels il existe une liaison entre le silicium et le carbone. Ils peuvent également contenir d'autres éléments chimiques supplémentaires (oxygène, halogènes, hydrogène et autres). À cet égard, ce groupe de substances se distingue par une grande variété de propriétés et d'applications. Contrairement à d'autres composés organiques, les composés organosiliciés ont de meilleures caractéristiques de performance et une plus grande sécurité pour la santé humaine à la fois lors de leur obtention et lors de l'utilisation d'articles,fabriqués à partir d'eux.
Leur étude a commencé au XIXème siècle. Le tétrachlorure de silicium a été la première substance synthétisée. Dans la période des années 20 aux années 90 du même siècle, de nombreux composés de ce type ont été obtenus: silanes, éthers et esters substitués d'acide orthosilicique, alkylchlorosilanes, et autres. La similitude de certaines des propriétés du silicium et des substances organiques ordinaires a conduit à la formation d'une fausse idée selon laquelle les composés du silicium et du carbone sont complètement identiques. Le chimiste russe D. I. Mendeleev a prouvé que ce n'était pas le cas. Il a également établi que les composés silicium-oxygène ont une structure polymère. Ce n'est pas typique pour les substances organiques, dans lesquelles il existe une liaison entre l'oxygène et le carbone.
Classification
Les composés organosiliciés occupent une position intermédiaire entre les composés organiques et organométalliques. Parmi elles, on distingue 2 grands groupes de substances: les bas poids moléculaires et les haut poids moléculaires.
Dans le premier groupe, les hydrogènes de silicium servent de composés initiaux, et les autres sont leurs dérivés. Il s'agit notamment des substances suivantes:
- silanes et ses homologues (disilane, trisilane, tétrasilane);
- silanes substitués (butylsilane, tert-butylsilane, isobutysilane);
- Éthers d'acide orthosilicique (tétraméthoxysilane, diméthoxydiéthoxysilane);
- haloesters d'acide orthosilicique (triméthoxychlorosilane, méthoxyéthoxydichlorosilane);
- esters substitués d'acide orthosilicique (méthyltriéthoxysilane, méthylphényldiéthoxysilane);
- alkyl-(aryl)-halosilanes (phényltrichlorosilane);
- dérivés hydroxylés d'organosilanes(dihydroxydiéthylsilane, hydroxyméthyléthylphénylsilane);
- alkyl-(aryl)-aminosilanes (diaminométhylphénylsilane, méthylaminotriméthylsilane);
- alcoxy-(aryloxy)-aminosilanes;
- alkyl-(aryl)-aminohalosilanes;
- alkyl-(aryl)-iminosilanes;
- isocyanates, thioisocyanates et thioéthers de silicium.
Composés organosiliciés de haut poids moléculaire
La base de la classification des composés organiques macromoléculaires est l'hydrogène de silicium polymère, dont le schéma structurel est illustré dans la figure ci-dessous.
Les substances suivantes appartiennent à ce groupe:
- alkyl-(aryl)-polysilanes;
- organopolyalkyl-(polyaryl)-silanes;
- polyorganosiloxanes;
- polyorganoalkylène-(phénylène)-siloxanes;
- polyorganométallosiloxanes;
- polymères métalloïdes à chaîne silane.
Propriétés chimiques
Comme ces substances sont très diverses, il est difficile d'établir des schémas généraux qui caractérisent la liaison entre le silicium et le carbone.
Les propriétés les plus caractéristiques des composés organosiliciés sont:
- La résistance aux températures élevées est déterminée par le type et la taille du radical organique ou d'autres groupes associés à l'atome de Si. Les silanes tétrasubstitués ont la stabilité thermique la plus élevée. Leur décomposition commence à une température de 650-700 °C. Les polydiméthylsiloxylanes sont détruits à une température de 300 °C. Le tétraéthylsilane et l'hexaéthyldisilane se décomposent lors d'un chauffage prolongé à une température de 350°C,dans ce cas, 50 % du radical éthyle est éliminé et de l'éthane est libéré.
- La résistance chimique aux acides, aux alcalis et aux alcools dépend de la structure du radical, qui est associé à l'atome de silicium, et de la molécule entière de la substance. Ainsi, la liaison du carbone avec le silicium dans les esters aliphatiques substitués n'est pas détruite lorsqu'elle est exposée à de l'acide sulfurique concentré, tandis que dans les esters mixtes alkyl-(aryl)-substitués, dans les mêmes conditions, le groupe phényle est clivé. Les liaisons siloxane ont également une résistance élevée.
- Les composés organosiliciés sont relativement résistants aux alcalis. Leur destruction ne se produit que dans des conditions difficiles. Par exemple, dans les polydiméthylsiloxanes, le clivage des groupes méthyle n'est observé qu'à des températures supérieures à 200 °C et sous pression (en autoclave).
Caractéristiques des composés macromoléculaires
Il existe plusieurs types de substances macromoléculaires à base de silicium:
- monofonctionnel;
- difonctionnel;
- trifonctionnel;
- quadrifonctionnel.
Combinant ces composés, vous obtenez:
- dérivés de disiloxane, qui sont le plus souvent des composés liquides;
- polymères cycliques (liquides huileux);
- élastomères (polymères à structure linéaire constituée de plusieurs dizaines de milliers de monomères et de poids moléculaire élevé);
- polymères à structure linéaire, dans lesquels les groupes terminauxbloqué par des radicaux organiques (huiles).
Les résines avec un rapport radical méthyle/silicium de 1,2-1,5 sont des solides incolores.
Les propriétés suivantes sont typiques des composés de silicium organique de haut poids moléculaire:
- résistance à la chaleur;
- hydrophobicité (résistance à la pénétration de l'eau);
- haute performance diélectrique;
- maintien d'une valeur de viscosité constante sur une large plage de températures;
- stabilité chimique même en présence d'oxydants forts.
Propriétés physiques des silanes
Étant donné que ces substances sont très hétérogènes dans leur structure et leur composition, nous nous limitons à décrire les composés organosiliciés de l'un des groupes les plus courants, les silanes.
Monosilane et disilane (SiH4 et Si2H4 respectivement) à la normale conditions sont des gaz qui ont une odeur désagréable. En l'absence d'eau et d'oxygène, ils sont assez stables chimiquement.
Le tétrasilane et le trisilane sont des liquides toxiques volatils. Le pentasilane et l'hexasilane sont également toxiques et chimiquement instables.
Ces substances se dissolvent bien dans les alcools, l'essence, le disulfure de carbone. Ce dernier type de solutions présente un risque explosif élevé. Le point de fusion des composés ci-dessus varie de -90 °C (tétrasilane) à -187 °C (trisilane).
Recevoir
L'addition de radicaux au Si se déroule différemment et dépend des propriétés du matériau de départ et des conditions dans lesquelles la synthèse a lieu. Quelquesles composés de silicium avec des substances organiques ne peuvent être fabriqués que dans des conditions difficiles, tandis que d'autres réagissent plus facilement.
L'obtention de composés organosiliciés à base de liaisons silanes est réalisée par hydrolyse d'alkyl (ou aryl)-chloroxilanes (ou alcoxysilanes) suivie d'une polycondensation de silanols. Une réaction typique est illustrée dans la figure ci-dessous.
La polycondensation peut se dérouler dans trois directions: avec la formation de composés linéaires ou cycliques, avec l'obtention de substances à structure réseau ou spatiale. Les polymères cycliques ont une densité et une viscosité plus élevées que leurs homologues linéaires.
Synthèse de composés macromoléculaires
Les résines organiques et les élastomères à base de silicium sont produits par l'hydrolyse de monomères. Les produits d'hydrolyse sont ensuite chauffés et des catalyseurs sont ajoutés. À la suite de transformations chimiques, de l'eau (ou d'autres substances) est libérée et des polymères complexes se forment.
Les composés organosiliciés contenant de l'oxygène sont plus sujets à la polymérisation que leurs composés à base de carbone correspondants. Le silicium, en revanche, est capable de contenir 2 groupes hydroxyle ou plus. La possibilité de former des molécules polymères réticulées à partir de molécules cycliques dépend principalement de la taille du radical organique.
Analyse
L'analyse des composés organosiliciés est effectuée dans plusieurs directions:
- Détermination des constantes physiques (point de fusion, point d'ébullition et autres caractéristiques).
- Analyse qualitative. Pour détecter des composés de ce type dans les vernis, les huiles et les résines, l'échantillon d'essai est fusionné avec du carbonate de sodium, extrait avec de l'eau, puis traité avec du molybdate d'ammonium et de la benzidine. Si de l'organosilicium est présent, l'échantillon devient bleu. Il existe d'autres moyens de détecter.
- Analyse quantitative. Pour les études qualitatives et quantitatives des composés organosiliciés, des méthodes de spectroscopie infrarouge et d'émission sont utilisées. D'autres méthodes sont également utilisées - analyse sol-gel, spectroscopie de masse, résonance magnétique nucléaire.
- Étude physique et chimique détaillée.
Pré-produire l'isolement et la purification de la substance. Pour les compositions solides, la séparation des composés se fait sur la base de leur solubilité, point d'ébullition et cristallisation différents. L'isolement de composés de silicium organique chimiquement purs est souvent réalisé par distillation fractionnée. Les phases liquides sont séparées à l'aide d'une ampoule à décanter. Pour les mélanges de gaz, on utilise l'absorption ou la liquéfaction à basse température et le fractionnement.
Demande
Le champ d'application des composés organosiliciés est très vaste:
- production de fluides techniques (huiles lubrifiantes, fluides de travail pour pompes à vide, vaseline, pâtes, émulsions, antimousses et autres);
- industrie chimique - utilisation comme stabilisants, modificateurs, catalyseurs;
- industrie des peintures et vernis - additifs pour la fabrication de revêtements résistants à la chaleur et anticorrosion pour le métal, le béton, le verre et d'autres matériaux;
- ingénierie aérospatiale - matériaux de presse, fluides hydrauliques, liquides de refroidissement, composés antigivrants;
- électrotechnique - fabrication de résines et vernis, matériaux de protection des circuits intégrés;
- industrie mécanique - production de produits en caoutchouc, composés, lubrifiants, produits d'étanchéité, adhésifs;
- industrie légère - modificateurs de fibres textiles, cuir, similicuir; anti-mousse;
- industrie pharmaceutique - production de matériaux pour prothèses, immunostimulants, adaptogènes, cosmétiques.
Les avantages de ces substances incluent le fait qu'elles peuvent être utilisées dans une variété de conditions: dans les climats tropicaux et froids, à haute pression et sous vide, à des températures élevées et à des radiations. Les revêtements anticorrosion à base de ceux-ci fonctionnent dans la plage de température de -60 à +550 °С.
Élevage
L'utilisation de composés organosiliciés dans l'élevage est basée sur le fait que le silicium est activement impliqué dans la formation des os et des tissus conjonctifs, les processus métaboliques. Cet oligo-élément est vital pour la croissance et le développement des animaux de compagnie.
Comme le montreétudes, l'introduction d'additifs contenant des substances organosiliciées dans l'alimentation des volailles et du bétail contribue à une augmentation du poids vif, à une diminution de la mortalité et des coûts d'alimentation par unité de croissance, à une augmentation du métabolisme de l'azote, du calcium et du phosphore. L'utilisation de ces médicaments chez les vaches contribue également à la prévention des maladies obstétricales.
Production en Russie
L'entreprise leader dans le développement de composés organosiliciés en Russie est GNIIChTEOS. Il s'agit d'un centre scientifique intégré engagé dans la création de technologies industrielles pour la fabrication de composés à base de silicium, d'aluminium, de bore, de fer et d'autres éléments chimiques. Les spécialistes de cette organisation ont développé et introduit plus de 400 matériaux organosiliciés. L'entreprise dispose d'une usine pilote pour leur production.
Cependant, la Russie dans la dynamique mondiale du développement de la production de composés organiques à base de silicium est bien inférieure aux autres pays. Ainsi, au cours des 20 dernières années, l'industrie chinoise a augmenté la production de ces substances de près de 50 fois, et l'Europe occidentale - de 2 fois. À l'heure actuelle, la production de composés organosiliciés en Russie est effectuée à KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, à l'usine pilote Redkinsky, JSC Khimprom (République tchouvache), JSC Silan.
