Силазани та полісилазани

Силазани - органокремнієві сполуки зі зв'язками Si-N; полісилазани (PSZ) - полімери з атомами кремнію й азоту, що чергуються вздовж основного ланцюга (-Si-N-Si-N-). Циклічні та лінійні структури загального вигляду [R₂Si-NR]_n поділяються на два класи: якщо всі R = H - це пергідрополісилазан (PHPS) формули [H₂Si-NH]_n; за наявності вуглеводневих груп - органополісилазан (OPSZ). На молекулярному рівні PSZ ізоелектронні полісилоксанам [R₂Si-O]_n, проте зв'язок Si-N забезпечує іншу реакційну здатність і вищу термостабільність. Ключовий низькомолекулярний представник - гексаметилдисилазан (HMDS, CAS №999-97-3).

В асортименті чотири функціональних підгрупи.

• Низькомолекулярні силазани (HMDS та аналоги): універсальні силілювальні агенти для дериватизації спиртів, кислот, амінів, амідів і меркаптанів; гідрофобізатори та промотори адгезії для мінеральних поверхонь; основа фотолітографічних процесів у напівпровідниковій промисловості.
• Органополісилазани IOTA OPSZ (OPSZ): серії OPSZ-1033, OPSZ-1066, OPSZ-1085, OPSZ-1500 Rapid, OPSZ-1800 - Si-N-H-полімери з вуглецевими замісниками; після затвердіння утворюють шари SiO₂ із залишковим вуглецем завтовшки 30+ мкм із доброю гнучкістю, гідрофобністю і бар'єрними властивостями.
• Пергідрополісилазани IOTA PHPS (PHPS): типи PHPS-2200, PHPS-2400, PHPS-2800 - неорганічні полісилазани без органічних замісників; формують практично чисті склокерамічні шари SiO₂ завтовшки менше 2 мкм з відмінними діелектричними характеристиками, високим газобар'єром і гідрофільною поверхнею.
• Модифікувальні добавки (ADD-5500 та аналоги): композиції з твердими частинками для модифікації механічних і трибологічних властивостей покриттів на основі PSZ.

Застосування охоплюють силілювання та гідрофобізацію поверхні (HMDS), формування діелектричних і пасивувальних шарів у мікроелектроніці, високотемпературних корозійностійких покриттів в автомобільній та авіаційній промисловості, а також антивандальних і адгезійних покриттів для бетону, каменю й металоконструкцій. Покриття на основі OPSZ і PHPS забезпечують твердість до 9H і робочі температури до 1000-1800°C залежно від системи й режиму піролізу. Неорганічні PHPS дають особливо щільні бар'єри за мінімальної товщини; OPSZ дають змогу отримувати товстіші гнучкі шари з гідрофобною поверхнею.

Під час вибору враховують цільову функцію (силілювання, промотор адгезії, зв'язувальна речовина для кераміки), тип підкладки й умови затвердіння - від низькотемпературного нанесення тонких шарів до високотемпературного піролізу з утворенням SiO₂- чи SiCN-кераміки. Для OPSZ визначальні в'язкість, частка твердого залишку, товщина до порогу розтріскування і гідрофобність; для PHPS - чистота SiO₂ та газобар'єрні властивості. Вибір системи й режимів рекомендується підтверджувати за TDS і лабораторними випробуваннями під заданими навантаженнями.

Як обрати між органополісилазаном (OPSZ) і неорганічним PHPS для покриття? OPSZ застосовують, коли потрібний товстіший (30+ мкм) гнучкий шар із гідрофобною поверхнею та помірними діелектричними й бар'єрними властивостями - для захисно-декоративних покриттів на металах і кераміці. PHPS обирають там, де критичні максимальна чистота SiO2, тонкий шар (менше 2 мкм), відмінна електроізоляція і газобар'єр - у мікроелектроніці та високотемпературних бар'єрних покриттях.

Чим застосування HMDS відрізняється від використання полісилазанів? HMDS - низькомолекулярний силілювальний агент для модифікації поверхонь і функціональних груп: зменшення поверхневої енергії, гідрофобізація, дериватизація в аналітичній хімії та літографії. Полісилазани - полімерні прекурсори неорганічних або органо-неорганічних покриттів. HMDS ефективний у тонких шарах і при багаторазових обробках, але не формує самостійних високотемпературних керамічних плівок на відміну від PHPS і OPSZ.

На що звернути увагу під час проєктування покриттів на основі полісилазанів? Визначальними є вибір розчинника та вміст твердого залишку, режим нанесення (розпилення, занурення, спін- або щілинне нанесення), швидкість випаровування, температура й атмосфера відпалу, сумісність з підкладкою та попередніми шарами. Необхідно контролювати товщину плівки відносно порогу розтріскування, забезпечувати вентиляцію і вибухопожежну безпеку, перевіряти адгезію й стабільність під час термоциклування та дії агресивних середовищ.

Чи можна комбінувати полісилазани з органічними смолами і пігментами? Так - у рецептурах покриттів полісилазани поєднують з пігментами, мінеральними наповнювачами, органічними смолами й каталітичними добавками. Органічні смоли покращують гнучкість і технологічність, каталітичні добавки знижують температуру затвердіння. При змішуванні важливо перевіряти хімічну сумісність - реакційно здатні Si-N-групи можуть взаємодіяти з протонодонорними компонентами (спиртами, водою, амінами) зі зміною в'язкості й часу життя системи.