مركبات ربط السيليان هي نوع من المركبات التي يمكنها "جسر" المواد غير العضوية مع المواد العضوية من خلال التفاعل الكيميائي، وتتمثل وظيفتها الأساسية في تحسين قوة الترابط بين واجهات مادتين مختلفتين في القطبية، وتستخدم على نطاق واسع في مجالات متعددة مثل المواد المركبة والطلاءات والمواد اللاصقة والمنسوجات. تعتمد فعالية تطبيقها بشكل وثيق على عملية التحلل المائي ونسبة الإضافة، وتختلف طرق التطبيق بشكل ملحوظ بسبب اختلاف متطلبات الصناعة. فيما يلي تحليل مفصل من ثلاثة أبعاد: عملية التحلل المائي، نسبة الإضافة، والفروق الصناعية.

أولاً، عملية التحلل المائي لمركبات ربط السيليان: المبادئ والنقاط الرئيسية

التركيب الجزيئي لمركبات ربط السيليان عادة ما يكون "Y-R-Si-(OR')₃" (حيث Y هو مجموعة وظيفية عضوية مثل الأمين أو الإيبوكسي؛ R هو ألكيل؛ OR' هو مجموعة ألكوكسي قابلة للتحلل المائي مثل الميثوكسي أو الإيثوكسي). الشرط الأساسي لعملها هو أن تتحلل مجموعة الألكوكسي (OR') أولاً إلى هيدروكسيل السيليكون (Si-OH)، ثم يتكاثف هيدروكسيل السيليكون مع مجموعات الهيدروكسيل (-OH) على سطح المواد غير العضوية (مثل الزجاج، المعادن، الحشوات) لتكوين روابط كيميائية؛ في الوقت نفسه، تتفاعل المجموعة الوظيفية العضوية (Y) مع المادة العضوية الأساسية (مثل الراتنج أو المطاط) لتحقيق "الجسر". لذلك، التحلل المائي هو الخطوة الأساسية في تطبيق مركبات ربط السيليان، وتفاصيل العملية تؤثر مباشرة على فعاليتها.

1. المبادئ الأساسية للتحلل المائي

تحدث تفاعلات التحلل المائي لمجموعات الألكوكسي تحت تأثير الماء:

Si-(OR')₃ + 3H₂O → Si-(OH)₃ + 3R'OH (مثل تحلل الميثوكسي إلى ميثانول، وتحلل الإيثوكسي إلى إيثانول)

هيدروكسيل السيليكون (Si-OH) الناتج عن التحلل المائي يتمتع بنشاط تفاعلي عالي، لكنه عرضة للتكاثف الذاتي (Si-OH + HO-Si- → Si-O-Si- + H₂O)، حيث يؤدي التكاثف المفرط إلى تكوين بوليمرات غير قابلة للذوبان في المادة الأساسية، مما يؤدي إلى فشل الربط. لذلك، يجب موازنة "كفاءة التحلل المائي" مع "تجنب التكاثف المفرط" في عملية التحلل المائي.

2. العوامل الرئيسية المؤثرة في عملية التحلل المائي

تتأثر فعالية التحلل المائي بشكل رئيسي بكمية الماء، قيمة pH، درجة الحرارة، والمذيب، ويجب تعديلها حسب نوع السيليان (مثل الأميني، الإيبوكسي، الثيولي):

كمية الماء: نظريًا، يحتاج 1 مول من السيليان إلى 3 مول من الماء للتحلل المائي الكامل، لكن في الواقع يتطلب فائضًا (عادة نسبة المول بين الماء والسيليان من 5:1 إلى 10:1)، حيث يزيد فائض الماء من سرعة التحلل المائي ويمنع تكاثف نواتج التحلل بسبب نقص الماء. إذا كانت كمية الماء غير كافية، يكون التحلل غير كامل، ولا يمكن لمجموعات الألكوكسي المتبقية التفاعل مع المواد غير العضوية؛ وإذا كانت كمية الماء زائدة جدًا، قد يخفف النظام ويؤثر على التوافق مع المادة الأساسية لاحقًا.

قيمة pH: هي العامل الأساسي في التحكم بسرعة التحلل المائي ودرجة التكاثف. يحتاج تحلل السيليان إلى تسريع في ظروف حمضية أو قاعدية (التحلل المائي في الماء المتعادل بطيء جدًا)، لكن يجب التحكم بدقة في قيمة pH:

الظروف الحمضية (pH=3~5): يتم تعديلها عادة باستخدام حمض الخليك أو حمض الهيدروكلوريك، وهي مناسبة لمعظم أنواع السيليان (مثل إيبوكسي السيليان KH-560، فينيل السيليان KH-570). في البيئة الحمضية، يعمل H⁺ كعامل محفز لتكسير مجموعات الألكوكسي، وتكون نواتج التحلل أكثر استقرارًا، وتكون سرعة التكاثف بطيئة، مما يناسب الحالات التي تتطلب تخزين محلول التحلل لفترة طويلة (مثل معالجة الطلاء المسبق).

الظروف القاعدية (pH=8~10): يتم تعديلها عادة باستخدام الأمونيا أو NaOH، وهي مناسبة للسيليان الأميني (مثل KH-550). يحتوي السيليان الأميني على مجموعات قاعدية، ويكون التحلل المائي أسرع في الظروف القاعدية، لكن يجب الانتباه إلى أن القلوية المفرطة (pH>11) تسرع تكاثف هيدروكسيل السيليكون، مما يؤدي إلى تعكر سريع لمحلول التحلل (تكوين بوليمرات Si-O-Si)، ويجب تحضير المحلول واستخدامه فورًا.

درجة الحرارة: زيادة درجة الحرارة يمكن أن تسرع من سرعة التحلل المائي (مثل الحاجة إلى 30~60 دقيقة في درجة حرارة الغرفة، ويمكن تقليلها إلى 15~30 دقيقة عند 50~60℃)، لكن درجة الحرارة العالية جدًا (>80℃) قد تؤدي إلى: ① تبخر سريع للمذيب (إذا استُخدم)؛ ② زيادة تكاثف هيدروكسيل السيليكون (خاصة في الظروف القاعدية). لذلك، تستخدم معظم الحالات "درجة حرارة الغرفة إلى 60℃" للتحلل المائي، وترتفع درجة الحرارة فقط للسيليانات التي يصعب تحللها مائيًا (مثل السيليانات ذات السلاسل الطويلة).

المذيب: إذا كان السيليان غير متوافق مع الماء (مثل السيليان ذو السلسلة الطويلة)، يجب إضافة مذيب عضوي (مثل الإيثانول، الأيزوبروبانول، الأسيتون) ك"وسيط"، وتكون نسبة المذيب إلى الماء عادة من 1:1 إلى 3:1 (نسبة الحجم). يمكن للمذيب تقليل توتر السطح للنظام، مما يجعل السيليان يتوزع بالتساوي في الماء، ويتجنب "طفو" السيليان الذي يؤدي إلى تحلل مائي غير متساوٍ. السيليانات المتوافقة جيدًا (مثل KH-550، KH-560) يمكن تحللها مائيًا مباشرة باستخدام الماء مع تعديل pH بالحمض أو القاعدة.

3. خطوات عملية التحلل المائي الفعلية (باستخدام "KH-560" الشائع كمثال)

كمثال على "تحضير 100 جرام من محلول التحلل المائي (لاستخدامه في معالجة مادة الطلاء الأساسية)", الخطوات كالتالي:

خذ 50 جرام من الماء منزوع الأيونات، أضف 0.1~0.3 جرام من حمض الخليك (لتعديل pH إلى 3~4)، وحرك جيدًا؛

أضف ببطء 10 جرام من KH-560 (نسبة كتلة السيليان إلى الماء حوالي 1:5)، مع التحريك أثناء الإضافة (سرعة الدوران 200~300 دورة/دقيقة)؛

حرك في درجة حرارة الغرفة لمدة 30 دقيقة، وراقب حالة المحلول: إذا كان شفافًا بدون طبقات، فهذا يعني اكتمال التحلل المائي (إذا كان عكرًا، قد يكون pH غير مناسب أو التحريك غير كافٍ، يمكن إضافة كمية صغيرة من حمض الخليك وتمديد التحريك)؛

يجب استخدام محلول التحلل خلال 24 ساعة (تخزين في درجة حرارة الغرفة، تجنب التعرض لأشعة الشمس أو درجات الحرارة العالية لمنع التكاثف).

4. ملاحظات على عملية التحلل المائي

تجنب "التحلل المائي المفرط": إذا طالت مدة التحلل المائي (مثل أكثر من 24 ساعة) أو فقد التحكم في pH (مثل زيادة الحموضة)، سيؤدي ذلك إلى تكاثف كبير لهيدروكسيل السيليكون، ويتحول محلول التحلل من شفاف إلى عكر أو حتى هلام، ويفقد نشاطه، ويجب تحضيره واستخدامه فورًا.

نقاء الماء: يجب استخدام ماء منزوع الأيونات أو ماء مقطر، وإذا تم استخدام ماء الصنبور (الذي يحتوي على أيونات معدنية مثل Ca²⁺ وMg²⁺)، فإن الأيونات المعدنية ستتحد مع هيدروكسيل السيليكون، مما يؤدي إلى تسريع التكثف وتقليل استقرار محلول التحلل المائي.

التحريك جيدًا: عند إضافة السيليان، يجب إضافته ببطء مع التحريك الكامل لتجنب تركيز محلي مرتفع (زيادة السيليان محليًا تؤدي إلى تكثف سريع بسبب نقص الماء وتكوين جزيئات).

ثانيًا، نسبة إضافة رابط السيليان: لا توجد قيمة ثابتة، يجب أن تتناسب مع "المشهد".

لا توجد معايير موحدة لنسبة إضافة رابط السيليان، والمبدأ الأساسي هو "تغطية كافية لسطح المواد غير العضوية دون هدر (الزيادة تؤدي إلى انخفاض التوافق العضوي)". يجب تحديد النسبة بناءً على سيناريو التطبيق، نوع الركيزة، نوع الرابط، والأداء المتوقع، وعادة ما تحسب كنسبة مئوية من وزن الركيزة غير العضوية أو من الوزن الكلي للنظام، وتتراوح عادة بين 0.1% إلى 5%، وفي بعض الحالات الخاصة تصل إلى 10%.

1. العوامل الأساسية التي تؤثر على نسبة الإضافة

المساحة السطحية النوعية للركيزة غير العضوية: كلما زادت المساحة السطحية (مثل الحشوات النانوية أو المساحيق فائقة النعومة)، زادت الحاجة إلى المزيد من الرابط لتغطية السطح. على سبيل المثال:

كربونات الكالسيوم العادية (مساحة سطحية نوعية 1~5 م²/غ): نسبة الإضافة عادة 0.5%~1% (بالنسبة لوزن الحشوة).

ثاني أكسيد السيليكون النانوي (مساحة سطحية نوعية 50~200 م²/غ): يجب زيادة نسبة الإضافة إلى 2%~5% (لتغطية المزيد من مجموعات الهيدروكسيل على السطح).

نوع الرابط: كلما طالت سلسلة الجزيء (مثل السيليان ذو السلسلة الطويلة)، تقل مساحة التغطية لكل وحدة وزن، مما يتطلب نسبة أعلى؛ والعكس صحيح، السيليان ذو السلسلة القصيرة (مثل ميثيل ثلاثي ميثوكسي السيليان) له كفاءة تغطية عالية ويمكن تقليل النسبة.

الغرض من التطبيق: إذا كان مطلوبًا "رابطة سطحية قوية" (مثل تعزيز المواد المركبة)، يجب أن تكون النسبة كافية؛ وإذا كان مطلوبًا فقط "تعديل أساسي" (مثل منع ترسيب الطلاء)، يمكن أن تكون النسبة منخفضة. على سبيل المثال:

البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية (FRP): لضمان تغطية الرابط لسطح الألياف الزجاجية بشكل كامل، تكون النسبة عادة 1%~3% (بالنسبة لوزن الألياف الزجاجية).

في الطلاء لمنع ترسيب الحشوة: كمية صغيرة من الرابط لتحسين التوافق بين الحشوة والركيزة، بنسبة 0.1%~0.5% (بالنسبة للوزن الكلي للنظام) تكفي.

طريقة الإضافة: طريقة "المعالجة المسبقة" (تغطية الرابط على سطح الركيزة غير العضوية أولاً) توفر الرابط أكثر من "طريقة الإضافة المباشرة" (الإضافة المباشرة إلى الركيزة العضوية). على سبيل المثال: عند معالجة الألياف الزجاجية مسبقًا، تكون نسبة الرابط 0.5%~1%؛ وعند الإضافة المباشرة إلى الراتنج، تحتاج إلى 1%~2% (لأن بعض الرابط قد لا يتلامس مع الركيزة ويذوب مباشرة في الراتنج).

2. نصائح عملية لضبط النسبة

قم أولاً بإجراء "تجربة تدريجية": اختبر نسب 0.1%، 0.5%، 1%، 2%، 5%، وحدد القيمة المثلى بناءً على مؤشرات الأداء (مثل قوة الشد، الالتصاق، مقاومة الماء) (عادة ما يكون هناك "قمة"، وبعدها ينخفض الأداء بسبب تكوين "طبقة ضعيفة" عند الواجهة نتيجة زيادة الرابط).

دمج المعالجة المسبقة للركيزة: إذا كان سطح الركيزة غير العضوية يحتوي على زيوت أو شوائب، يجب تنظيفها أولاً (مثل المسح بالإيثانول)، وإلا سيتفاعل الرابط مع الشوائب، مما يتطلب زيادة النسبة (قد تزيد 1~2 مرة).

التعاون مع إضافات أخرى: إذا كان النظام يحتوي على مشتتات أو ملدنات، فقد تؤثر على امتصاص الرابط، ويجب زيادة النسبة بشكل مناسب (مثلاً إذا كانت النسبة الأصلية 1%، يمكن زيادتها إلى 1.5%).

ثالثًا، اختلافات تطبيق رابط السيليان بين الصناعات: تختلف العمليات والنسب حسب الاحتياجات المختلفة.

الاحتياجات الأساسية للصناعات المختلفة (مثل الأداء الميكانيكي، مقاومة العوامل الجوية، الوظائف) تختلف بشكل كبير، لذلك هناك اختلافات واضحة في "عملية التحلل المائي"، "نسبة الإضافة"، و"اختيار النوع" لرابط السيليان، ويجب تعديلها بشكل مخصص.

1. صناعة البناء: تركز على "الالتصاق بالركيزة ومقاومة العوامل الجوية"، ويجب تعديل التحلل المائي لمقاومة العوامل الجوية.

تستخدم صناعة البناء بشكل رئيسي في معالجة واجهات الخرسانة، حماية الحجر، وطلاءات البناء، والاحتياجات الأساسية هي "زيادة الالتصاق" و"مقاومة المطر / شيخوخة الأشعة فوق البنفسجية".

عملية التحلل المائي: غالبًا ما تستخدم "التحلل المائي الحمضي الضعيف" (pH=4~5)، لأن مشاهد البناء تتطلب تخزين محلول التحلل المائي لفترة أطول (مثل مواقع البناء التي قد تحتاج 1~2 يوم)، ويكون المحلول أكثر استقرارًا في الحموضة الضعيفة (يصعب تكثفه)؛ والمذيب المستخدم عادة هو الإيثانول (تكلفة منخفضة، يتبخر بسهولة) لتجنب بقايا تؤثر على الالتصاق.

نسبة الإضافة: منخفضة نسبيًا (0.5%~2%)، لأن المساحة السطحية للركيزة في البناء (الخرسانة، الحجر) ليست كبيرة ولا تحتاج إلى زيادة؛ على سبيل المثال، في مواد معالجة واجهات الخرسانة، يشكل رابط السيليان (مثل KH-550) عادة 1%~1.5% (بالنسبة للوزن الكلي لمادة المعالجة)، وهو كافٍ لتغطية مجموعات الهيدروكسيل على السطح.

اختيار النوع: يفضل السيليان الأميني (متوافق مع مواد الأسمنت) والسيليان الألكيلي (لحماية الحجر من الماء، مثل إيزوأوكتيل ثلاثي إيثوكسي السيليان).

2. صناعة السيارات: تركز على "قوة المواد المركبة ومقاومة الشيخوخة"، وتعتمد على المعالجة المسبقة.

تستخدم صناعة السيارات بشكل رئيسي في البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية (مثل المصدات) والطلاءات المعدنية (مثل الطلاء الكهربائي)، والاحتياجات الأساسية هي "تحسين الأداء الميكانيكي للمواد المركبة" و"مقاومة درجات الحرارة العالية والمنخفضة / تلوث الزيت والشيخوخة".

عملية التحلل المائي: غالبًا ما تستخدم "طريقة المعالجة المسبقة للتحلل المائي" (تحلل الرابط أولاً، ثم تغطية سطح الألياف الزجاجية / المعدن)، مع التحكم الصارم في الرقم الهيدروجيني (مثل استخدام KH-560 للألياف الزجاجية، pH=3~4 تحلل حمضي)، ويتم تحضير محلول التحلل المائي واستخدامه فورًا (لتجنب تأثير التكثف على تساوي الطلاء)؛ ويتم التحكم في درجة الحرارة بين 40~50 درجة مئوية (لتسريع التحلل المائي وضمان الانتهاء خلال 30 دقيقة، متوافق مع خط الإنتاج).

نسبة الإضافة: متوسطة إلى مرتفعة (1%~3%)، لأن المواد المركبة للسيارات تتطلب تماسكًا عاليًا بين الواجهات (مثل المصد الذي يحتاج إلى مقاومة للصدمات)؛ على سبيل المثال، عند معالجة ألياف الزجاج مسبقًا، تكون نسبة KH-560 بين 2%~3% (بالنسبة لوزن ألياف الزجاج)، لضمان تغطية كاملة لسطح الألياف (مساحة السطح النوعية للألياف حوالي 10~20 م²/غ).

اختيار النوع: سيلان إبوكسي (متوافق جيدًا مع الراتنج)، سيلان ثيولي (طلاء معدني، يعزز الالتصاق مع طلاء الطلاء الكهربائي).

3. صناعة الإلكترونيات: التركيز على "العزل وانخفاض التطاير"، يجب أن يكون التحلل المائي منخفض الشوائب.

تُستخدم صناعة الإلكترونيات بشكل رئيسي في مواد تغليف الإلكترونيات (مثل غراء التغليف الإبوكسي)، ومعالجة مواد لوحات الدوائر، والطلب الأساسي هو "عزل عالي" و"انخفاض المواد المتطايرة (لتجنب تآكل الرقائق)".

عملية التحلل المائي: استخدام "تحلل مائي بماء نقي عالي" (لتجنب تأثير شوائب أيونات المعادن على العزل)، مع التحكم الصارم في الرقم الهيدروجيني (مثل استخدام KH-560 في غراء التغليف، الرقم الهيدروجيني = 3.5±0.2)، وعدم إضافة مذيبات عضوية (لتجنب بقايا تبخر المذيبات)؛ بعد التحلل المائي يجب فحص "درجة التكثف" (يتم تحديدها من خلال اللزوجة، إذا تجاوزت اللزوجة 50 مللي باسكال·ثانية يجب التخلص منها).

نسبة الإضافة: تحكم دقيق (1%~2%)، لأن زيادة عامل الربط قد تؤدي إلى تغير في ثابت العزل لمواد التغليف (مما يؤثر على العزل)؛ على سبيل المثال، عند معالجة مسحوق السيليكا الدقيق (حشو التغليف)، تكون نسبة عامل الربط 1.2%~1.5% (بالنسبة لوزن مسحوق السيليكا)، لتغطية السطح دون بقايا زائدة.

اختيار النوع: سيلان إبوكسي (متوافق مع راتنج الإبوكسي للتغليف)، سيلان ميثيل (قطبية منخفضة، عزل جيد).

4. صناعة النسيج: التركيز على "الوظائف والملمس"، يجب أن يأخذ التحلل المائي في الاعتبار التوافقية.

تُستخدم صناعة النسيج بشكل رئيسي في معالجة مقاومة الماء والتجاعيد للألياف (مثل الملابس الخارجية والقمصان)، والطلب الأساسي هو "الوظائف (مقاومة الماء، مقاومة التجاعيد)" و"عدم التأثير على ملمس الألياف (عدم الصلابة)".

عملية التحلل المائي: استخدام "مذيب مائي مختلط مع الإيثانول" (نسبة الإيثانول 50%~70%)، لأن سطح الألياف كاره للماء، يصعب اختراق محلول التحلل المائي النقي، والمذيب يقلل من توتر السطح؛ الرقم الهيدروجيني محايد إلى قلوي (pH=7~8)، لتجنب تلف الألياف بسبب المحاليل الحمضية (مثل ضعف مقاومة القطن للأحماض).

نسبة الإضافة: مرتفعة نسبيًا (2%~5%)، لأن هناك حاجة لتشكيل "طبقة وظيفية" مستمرة على سطح الألياف (مثل مقاومة الماء تتطلب تكوين طبقة كارهة للماء بواسطة سيلان الألكيل)؛ على سبيل المثال، في معالجة مقاومة الماء للملابس الخارجية، يشكل سيلان الألكيل (مثل أوكتاديسيل ثلاثي إيثوكسيسيلان) نسبة 3%~4% من محلول المعالجة (بالنسبة لوزن محلول المعالجة).

اختيار النوع: سيلان ألكيل (مقاوم للماء)، سيلان أميني (مقاوم للتجاعيد، يحسن الملمس).

الملخص

تطبيق عوامل ربط السيلان يحتاج إلى "تعديل التحلل المائي حسب العملية، تحديد النسبة حسب السيناريو، اختيار الحل حسب الصناعة".

جوهر عملية التحلل المائي هو "التحكم في الرقم الهيدروجيني، التحكم في كمية الماء، منع التكثف"، الأحماض مناسبة لمعظم السيلانات، والقلويات مناسبة لسيلانات الأمين، ويجب التعديل حسب متطلبات الاستقرار.

لا توجد قيمة ثابتة لنسبة الإضافة، يجب تعديلها بناءً على مساحة السطح النوعية للركيزة وهدف التطبيق، والتجارب التدريجية هي الطريقة العملية لتحديد القيمة المثلى.

تختلف الصناعات في "توجيه الطلب": البناء يركز على مقاومة الطقس، السيارات على القوة، الإلكترونيات على العزل، النسيج على الوظائف، ويجب اختيار النوع وضبط التحلل المائي والنسبة بشكل مستهدف.