Читать книгу Silicium- und Nanotechnologie für Lacksysteme - Frank Groß - Страница 17

Polysilazane sind aus Si-N Struktureinheiten aufgebaute polymere Verbindungen [15]. Häufig ist dabei jedes Silicium-Atom an zwei Stickstoffatome gebunden und jedes Stickstoffatom an zwei Silicium-Atome, so dass sich bevorzugt molekulare Ketten und Ringe der Formel

[R1R2Si–NR3]n

bilden. Unter thermischer Behandlung bei Temperaturen über 400 °C können diese Materialien in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung des Polymers und der Atmosphäre mittels der sog. Pyrolyse in Keramiken wie Si3N4, SiON, SiCN, SiCNO oder SiC umgewandelt werden. Aufgrund dieser Fähigkeit werden Polysilazane als Vorläufer bei der Verarbeitung von Keramikbeschichtungen eingesetzt. Polysilazane haben jedoch auch im polymeren oder präkeramischen Stadium als Beschichtungen hervorragende Eigenschaften. Im Vergleich zu den meisten organischen Polymeren haben Polysilazane folgende Vorteile:

 verbesserte thermische und chemische Stabilität.

 höhere Härte und Kratzfestigkeit.

 stärkere Beschichtungshaftung i.V. zu typischen organischen Beschichtungen.

 sehr hohe Hitzebeständigkeit: Polysilazane sind ohne signifikanten Massenverlust bis zu 1000 ° C stabil, während Silikonharze einen erheblichen Massenverlust erleiden, wenn die Temperatur über 400 ° C liegt.

 Wasser- und schmutzabweisende Wirkung.

 Korrosionsprävention.

Generell gibt es zwei Klassen von Polysilazanen, siehe siehe Abbildung 4.7.

Abbildung 4.7: Polymerstrukturen von PHPS und OPSZ. R ist CH3-, CH2=CH- oder andere organische Reste

Zur einen Klasse zählen anorganische Perhydropolysilazane (PHPS), die H-Gruppen sowohl an Si- als auch an N-Atomen aufweisen, und die andere sind organische Polysilazane (OPSZ), bei denen organische funktionelle Gruppen auf Si-Atome gepfropft sind. PHPS ist ein wichtiges Material zum Füllen und Planarisieren von Lücken in der Halbleiterindustrie. OPSZ hat sich als führende Technologie für dauerhaften Oberflächenschutz herausgestellt [16]. Sowohl OPSZ als auch PHPS sind im Handel erhältlich [17].

Die Synthese von Polyorganosilazanen wurde erstmals im Jahre 1964 von Krüger und Rochow beschrieben [ [18] ]. Die Reaktion erfolgt mit Dichlorsilanen und Ammoniak unter angepassten Reaktionsbedingungen, je nachdem ob PHPS oder OPSZ hergestellt werden sollen.

Wie alle Polymere sind Polysilazane aus einer oder mehreren Grundeinheiten, den Monomeren, aufgebaut. Durch Aneinanderreihung dieser Grundeinheiten bilden sich unterschiedlich große Ketten, Ringe und dreidimensional vernetzte Makromoleküle mit einer mehr oder weniger breiten Molmassenverteilung. Die Monomereinheit dient auch zur Beschreibung der chemischen Zusammensetzung und der Verknüpfung der Atome (Koordinationssphäre), ohne jedoch Aussagen über die makromolekulare Struktur zu machen [15].

In Polysilazanen ist jedes Silicium-Atom an zwei Stickstoff-Atome gebunden und jedes Stickstoff-Atom an mindestens zwei Silicium-Atome (es können auch drei sein). Wenn alle übrigen Valenzen durch Wasserstoffatome abgesättigt sind, entsteht das Perhydropolysilazan [H2Si–NH]n. Bei den Organopolysilazanen ist mindestens ein organischer Rest an das Silicium gebunden. Die Anzahl und Art der Reste hat einen wesentlichen Einfluss auf die makromolekulare Struktur dieser Polysilazane [19].

Obwohl die Polysilazane seit langem bekannt sind und ihnen frühzeitig ein großes Anwendungspotenzial bescheinigt wurde, haben bislang nur wenige Produkte Marktreife erreicht. Das liegt sicherlich auch im hohen Entwicklungsaufwand beim Einsatz dieser vergleichsweise „teuren“ Chemikalien begründet. Natürlich spielt auch der unangenehme und ätzende Geruch nach Ammoniak beim Aushärten dieser Bindemittel eine große Rolle.

Polysilazane sind als Beschichtungsmaterial einsetzbar und zeigen teils überragende Eigenschaften in Spezialanwendungen [20]. Das beim Härten freigesetzte, giftige Ammoniak und der an sich teure Rohstoff lassen die Anwendungsmöglichkeiten jedoch sicher in einem sehr begrenzten Bereich. Trotzdem handelt es sich um einen interessanten Rohstoff mit vielen Visionen für die Zukunft. Das nächste Kapitel beschreibt die wichtigste silanbasierte Rohstoffklasse, dies sind die Alkoxysilane.