聚硅氧烷(Polysiloxane)到底是有機質抑或是無機質鍍膜?

聚硅氧烷(硅=矽)應用於1990年代初期,是第一個可在室溫下固化的高性能塗層,推出市面已超過25個年頭,由於具有優異的物理與化學特性,在產業上有相當多的運用發展,例如生物微機電系統,軟微影技術(Soft lithography)將其大量用 於微流道系統、電子業上可用於製造插接頭、紡織業上可用於增加布料之疏水性及染色時之消泡劑、塑膠橡膠製品之脫模劑、醫學上的應用、建築物外觀保護塗層、車體鍍膜塗層、美軍船艦塗層(Sherwin-Williams Polysiloxane Coating)、橋梁外層塗層…等。

首先要了解聚矽氧烷到底是有機質鍍膜還是無機質鍍膜,我們先從聚硅氧烷的結構去討論,基本上聚硅氧烷是屬於上烷基高分子材料,是由單一硅原子(Si)去鏈結單一氧原子(O),形成重複的Si—O鍵為主鏈,以主鏈結構來說聚硅氧烷是屬於無機質架構,但是硅原子側鏈卻可以鍵結有機團簇例如甲基、苯基…等有機質,所以聚硅氧烷同時具有無機質與有機質的特性,屬於有機/無機混合材料,我們先以聚硅氧烷結構來讓各位知道為何聚硅氧烷為何同時具有有機與無機特性。


上圖為理想的聚硅氧烷結構圖(圖片取自POLYSILOXANE COATINGS INNOVATIONS )
R=Si(矽)、H(氫)、Methyl(甲基)、Phenyl(苯基)、Other Alkyl(其他烷基)、Aryl(芳基),聚硅氧烷通式為[RnSiO4-n/2]m,其中R代表有機團簇,如甲基、苯基、烷基、芳基…等,n為矽原子所鍵結的有機團簇數量,m為聚合度。
由此結構圖可知聚硅氧烷中Si—O主鏈為無機質,卻可以鍵結有機團簇,正因為聚硅氧烷具有如此特性,因此聚硅氧烷鍍膜材料兼具無機質優點與有機質優點。

接著我們將舉幾個聚硅氧烷無機質特性與有機質特性來說明


@聚硅氧烷無機質特性:

一、耐高溫特性
聚硅氧烷中Si—O主鏈的鍵結能約為452 kj/mol(千焦耳/莫爾),例如有機C—C主鏈的鍵結能約346 kj/mol(千焦耳/莫爾),所以無機架構的聚硅氧烷熱穩定性高,高溫下(或輻射照射)分子的化學鍵不斷裂、不分解,不但可耐高溫,而且也耐低溫,可在一個很寬的溫度範圍內使用。無論是化學性能還是物理機械性能,隨溫度的變化都很小。(鍵結能資料來源Wired Chemist)。

二、抗紫外線


上圖左為(Organic,有機)有機漆面C—C(碳—碳)主鍵因為鍵結能較低,所以容易遭受紫外線傷害造成斷鍵,上圖右(Inorganic,無機)為聚硅氧烷無機主結構,因為Si—O(硅—氧)主鏈的鍵結能較大,不容易遭受紫外線降解,因為需要更多的能量才能斷鍵,效果維持時間更長,能更有效對抗紫外線傷害。(圖片來源Polysiloxane Technology on the Roosevelt Island Bridge)。

三、抗氧化特性
由於聚硅氧烷架構中的硅原子,因為鍵結2~3個氧原子,所以約50%~75%的氧化,在有機聚合物如C—C鍵容易發生氧化降解的情況,在聚硅氧烷聚合物中則不會發生氧化降解,可強化抵抗大氣中的氧與各種氧化性的化學物質。(資料來源POLYSILOXANE COATINGS INNOVATIONS)。

四、耐候性與耐久性
聚硅氧烷Si—O主鍵具有50%離子特性,容易發生水解(無機質易溶於水),經過酸(丙烯酸)與鹼的催化,耐候性塗層的耐久性是硅氧烷水解的可逆性,所以在水份下存在的硅氧烷非常有利於硅醇基縮合成硅氧烷,這也說明日本類玻璃鍍膜stage2為何需要利用純水施工。(資料來源POLYSILOXANE COATINGS INNOVATIONS)。

@聚硅氧烷有機質特性:

一、低表面能造就超高疏水性
表面能越低疏水性越佳,聚硅氧烷的低表面能成因,主要是聚硅氧烷可鍵結甲基團簇(-CH3),甲基之所有低表面能在於團簇之間無任何交互作用屬於疏水性烷基官能團,且甲基屬於有機化合物團簇,這也應證聚硅氧烷擁有有機質特性。

二、低電絕緣性不易惹塵
有機物的化學鍵基本是極性小或無極性的共價鍵,其水溶液或熔化狀態難以被電離,所以不能導電,既然具有不導電特性,當車輛行進中漆面與空氣摩擦就不會產生電荷交換,車身不帶有靜電荷,空氣中帶正電荷的微塵粒子就不易被吸附,因此聚硅氧烷具有自潔作用達到不易惹塵效果,不易惹塵車輛清潔時間點可以拉長,不需時常洗車打蠟來維護車輛清潔。

三、無毒性為低揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds, VOC):
有機硅中間體與硅烷原本就具有低黏度特性,所以不需大量有機溶劑稀釋,本身具有高固體含量與低溶劑特性(固體含量>90%,VOC含量<100g/l),由於聚硅氧烷固體含量高,所以鍍膜結晶量多,鍍膜層膜厚感十足也正是因為如此,且VOC<100g/l對施工人員不產生毒性傷害,更可達未來VOC排放之環保法規。

四、高透氣性
在醫學上的應用例如隱形眼鏡,因為眼睛需要氧氣來代謝,氧氣的來源不是由眼睛自體的血管供應,且隱形眼鏡必須具備柔軟度,所以聚硅氧烷具有高透氣性與柔軟度,可讓氧氣進入眼睛,並可阻擋細菌侵入,其他醫學上的應用包含人造皮膚…等,關於這一點聚硅氧烷具有類似棕櫚葉上棕櫚蠟的透氣性表現。

聚硅氧烷在其他有機質特徵表現上還包含:車漆色澤穩定維持、光澤度(高折射率RI值約1.66)、膜層硬度、耐化學性、柔韌性、抗研磨性、漆面附著性強、結晶溫度低(約146K,攝氏溫度約零下127.15度,當然日本製造商可藉由添加不同有機團簇可增加結晶溫度,所以日本類玻璃鍍膜藥劑需要冷凍保存)…等,當然聚硅氧烷作為車體外觀塗層是非常適合的,市場上目前同時具有無機質與有機質優點特性的車體鍍膜藥劑少之又少,我們選擇日本類玻璃鍍膜就是深知其特性足以說服各種挑剔的消費者,經過長期與研究所老師研究之後的成果,所以選用Q-GLYM的日本類玻璃鍍膜來做為匠車體鍍膜的主要鍍膜商品。

匠車體鍍膜 作者:邵鵬蒼  撰寫於西元2015年1月22號(未經同意請勿拷貝)
畢業於中興大學精密工程研究所(奈米材料科學計算實驗室)
指導教授:劉柏

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