Silikon

Nezaměňovat s prvkem křemík.

Silikonový tmel lze použít jako základní těsnicí materiál proti pronikání vody a vzduchu.

Samonivelační silikonový protipožární systém používaný kolem měděných trubek prostupujících betonovou podlahovou sestavou s dvouhodinovou požární odolností.

Silikony (přesněji nazývané polymerizované siloxany nebo polysiloxany) jsou směsné anorganicko-organické polymery. Jejich obecný chemický vzorec lze zapsat jako n, kde R odpovídá organické skupině, jako je methyl, ethyl nebo fenyl. Změnou jejich složení a molekulární struktury lze připravit silikony s různými vlastnostmi. Jejich konzistence se může lišit od kapaliny přes gel a pryž až po tvrdý plast. Nejběžnějším siloxanem je polydimethylsiloxan (PDMS), silikonový olej. Druhá největší skupina silikonových materiálů je založena na silikonových pryskyřicích.

Různé typy silikonů byly vyvinuty pro různé aplikace. Používají se například jako těsnicí materiály, formy, maziva, rozpouštědla pro suché čištění, elektrické izolátory a ochranné materiály pro elektronické součástky. Vyskytují se také v některých ohnivzdorných prostředcích, výrobcích pro osobní hygienu a sluchadlech. Jejich použití v prsních implantátech a v budovách jaderných reaktorů však vyvolalo kontroverze.

Chemická struktura a terminologie

Chemická struktura polydimethylsiloxanu (PDMS).

Silikon je často mylně označován jako „křemík“. Přestože silikony obsahují atomy křemíku, nejsou tvořeny výhradně křemíkem a mají zcela jiné fyzikální vlastnosti než elementární křemík.

Slovo „silikon“ je odvozeno od slova keton. Dimethylsilikon a dimethylketon (aceton) mají analogické chemické vzorce, proto se předpokládalo (nesprávně), že mají analogickou strukturu. V případě molekuly acetonu (nebo jakéhokoli ketonu) existuje dvojná vazba mezi atomem uhlíku a atomem kyslíku. Naproti tomu molekula silikonu neobsahuje dvojnou vazbu mezi atomem křemíku a atomem kyslíku. Chemici zjistili, že atom křemíku tvoří jednoduchou vazbu s každým ze dvou atomů kyslíku, nikoliv dvojnou vazbu s jedním atomem.

Polysiloxany se nazývají „silikony“ kvůli dřívějším mylným předpokladům o jejich struktuře. Skládají se z anorganické křemíkovo-kyslíkové páteře (…-Si-O-Si-O-Si-O-…) s organickými postranními skupinami připojenými k atomům křemíku (viz obrázek znázorňující strukturu polydimethylsiloxanu). V některých případech mohou být organické postranní skupiny použity k propojení dvou nebo více těchto -Si-O- páteří dohromady.

Různou délkou -Si-O- řetězce, postranních skupin a síťováním lze syntetizovat různé silikony. Nejběžnějším siloxanem je lineární polydimethylsiloxan (PDMS), silikonový olej (viz struktura na obrázku). Druhá největší skupina silikonových materiálů je založena na silikonových pryskyřicích, které jsou tvořeny rozvětvenými a klecovými oligosiloxany.

Syntéza

Silikony se syntetizují z chlorsilanů, tetraethoxysilanu a příbuzných sloučenin. V případě PDMS je výchozím materiálem dimethylchlorosilan, který reaguje s vodou takto:

n + n → n + 2n HCl

Při polymeraci touto reakcí vzniká potenciálně nebezpečný plynný chlorovodík. Pro lékařské účely byl vyvinut postup, při němž byly atomy chloru v silanovém prekurzoru nahrazeny acetátovými skupinami, takže reakčním produktem konečného vytvrzování je netoxická kyselina octová (ocet). Vedlejším účinkem je, že proces vytvrzování je v tomto případě také mnohem pomalejší. Tato chemie se používá v mnoha spotřebitelských aplikacích, jako jsou silikonové tmely a lepidla.

Silanové prekurzory s větším počtem kyselinotvorných skupin a menším počtem methylových skupin, jako je methyltrichlorsilan, lze použít k zavedení větví nebo příčných vazeb do polymerního řetězce. V ideálním případě se každá molekula takové sloučeniny stává bodem větvení. Toho lze využít k výrobě tvrdých silikonových pryskyřic. Podobně lze k omezení molekulové hmotnosti použít prekurzory se třemi methylovými skupinami, protože každá taková molekula má pouze jedno reaktivní místo a tvoří tak konec siloxanového řetězce.

Moderní silikonové pryskyřice se vyrábějí s tetraethoxysilanem, který reaguje mírnějším a lépe kontrolovatelným způsobem než chlorsilany.

Vlastnosti

Mezi nejužitečnější vlastnosti silikonu patří:

1. Termická stabilita (stálost vlastností v širokém pracovním rozsahu od -100 do 250 °C)
2. Schopnost odpuzovat vodu a vytvářet vodotěsná těsnění
3. Vynikající odolnost vůči kyslíku, ozónu a slunečnímu záření
4. Pružnost
5. Elektricky izolační nebo vodivé, v závislosti na struktuře a složení
6. Přilnavost
7. Nízká chemická reaktivita
8. Nízká toxicita
9. Vysoká propustnost pro plyny

Silikonový kaučuk

Pružný, gumovitý polysiloxan je známý jako silikonový kaučuk. Lze jej vytlačovat do trubek, pásů, pevných šňůr a nestandardních profilů. Nabízí vynikající odolnost vůči extrémním teplotám a je vysoce inertní vůči většině chemikálií. Organická pryž, jejíž páteř tvoří uhlík s uhlíkem, je obecně náchylná na ozon, UV záření, teplo a další faktory stárnutí. Silikonová pryž naproti tomu dokáže odolávat účinkům těchto činitelů, což z ní činí materiál vhodný pro použití v mnoha extrémních prostředích. Vzhledem ke své inertnosti se používá v mnoha lékařských aplikacích, včetně lékařských implantátů.

Mnoho specializovaných druhů silikonového kaučuku má tyto vlastnosti: elektrickou vodivost, nízkou kouřivost, zpomalení hoření, svícení ve tmě a odolnost vůči páře, plynům, olejům, kyselinám a jiným chemikáliím.

Použití silikonu

Materiál pro výrobu forem

Dvousložkové silikonové systémy se používají k vytváření pryžových forem, které lze použít pro výrobní odlévání pryskyřic, pěn, pryže a nízkoteplotních slitin. Silikonová forma obecně nevyžaduje téměř žádné uvolňování formy nebo přípravu povrchu, protože většina materiálů k silikonu nepřilne.

Těsnicí hmoty

Jednosložkové silikonové těsnicí hmoty se běžně používají k utěsnění mezer, spár a štěrbin v budovách. Tyto silikony vytvrzují absorpcí vzdušné vlhkosti. Pevnost a spolehlivost silikonového kaučuku je široce uznávána ve stavebnictví.

Vynikající použití silikonového kaučuku je pro těsnění střešních oken automobilů, která musí odolávat náročným teplotám a dalším podmínkám prostředí, jako je ozón, UV záření a znečištění, nemluvě o běžných automobilových čisticích prostředcích, voscích apod.

Mazivo

V oblasti instalatérství a automobilů se silikonové mazivo často používá jako mazivo. V instalatérství se tuk obvykle používá na O-kroužky v bateriích a ventilech. V automobilovém průmyslu se silikonové mazivo obvykle používá jako mazivo pro brzdové komponenty, protože je stabilní při vysokých teplotách, nerozpustné ve vodě a mnohem méně než jiná maziva znečišťuje brzdové destičky.

Použití při vaření

Silikon se také impregnuje do pergamenového papíru a používá se jako nepřilnavý materiál pro aplikace, jako je pečení a vaření v páře. Díky silikonu je papír také odolný vůči teplu a mastnotě. Díky tomu lze papírem vyložit plechy na sušenky a nahradit mazání tukem, čímž se urychlí hromadná výroba pečiva. Běžně se také používá při vaření v sáčcích, kdy se přísady uzavřou do nádoby z pergamenového papíru a nechají se napařit.

Silikonová pryž se používá k výrobě náčiní (zejména špachtlí) a nádobí na pečení.

Silikonové pryskyřice se používají v tepelně odolném nádobí. Ty se často podobají keramickým předmětům, ale jsou mnohem méně křehké, takže jsou oblíbené pro použití u dětí.

Elektrické a elektronické součástky

Dráty zapalovacích svíček automobilů jsou často izolovány několika vrstvami silikonu. Kromě toho se elektronické součástky někdy chrání před vlivy prostředí tím, že se obalí silikonem. Tím se zvyšuje jejich stabilita proti mechanickým nárazům, záření a vibracím. Silikony se volí místo polyuretanového nebo epoxidového zapouzdření, pokud je požadován široký rozsah provozních teplot (-150 až 600 °C). Výhodou silikonů je také malý nárůst tepla při vytvrzování, nízká toxicita, dobré elektrické vlastnosti a vysoká čistota. Proto se používají v případech, kdy je vyžadována trvanlivost a vysoký výkon součástek v náročných podmínkách, například pro družice ve vesmíru.

Silikonové prsní implantáty

V 80. a 90. letech 20. století se rozvinula polemika kolem tvrzení, že silikonový gel v prsních implantátech je zodpovědný za řadu systémových zdravotních problémů, včetně autoimunitních onemocnění a rakoviny. Několik žalob, které tvrdily, že implantáty způsobují újmu na zdraví, vedlo v roce 1998 k bankrotu společnosti Dow Corning a k moratoriu na používání silikonových implantátů pro zvětšování prsou v USA a Kanadě, dokud nebude provedena studie. Četné studie a odborné revizní komise provedené od té doby po celém světě však shodně dospěly k závěru, že u žen se silikonovými prsními implantáty není pravděpodobnost vzniku systémových onemocnění vyšší než u žen bez prsních implantátů. V roce 2006 přijaly kanadský úřad Health Canada i americký Úřad pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) podobná stanoviska jako ostatní země a povolily používání silikonových implantátů pro kosmetické zvětšení prsou ve svých zemích.

Požární uzávěry

Vadná instalace požárních uzávěrů ze silikonové pěny Sakno v čistírně odpadních vod v Calgary v 80. letech 20. století, která byla použita k utěsnění otvoru nad požárními dveřmi v litém betonovém požárním oddělení.

Při správné instalaci mohou být požární uzávěry ze silikonové pěny vyrobeny v souladu se stavebními předpisy. Mezi výhody patří flexibilita a vysoká dielektrická pevnost. Mezi nevýhody patří špatné ohraničení, hořlavost (obtížné hašení) a značný vývin kouře.

Silikonové pěny byly použity v Severní Americe i v izraelských budovách jaderného reaktoru Dimona při pokusech o požární uzávěry otvorů v požárně odolných sestavách stěn a podlah, aby se zabránilo šíření plamenů a kouře z jedné místnosti do druhé. Izraelci přešli na poněkud dražší, ale mnohem bezpečnější „elastomerovou“ verzi tohoto výrobku, která se vyhýbá většině bezpečnostních problémů spojených s pěnovou verzí.

Požární uzávěry ze silikonové pěny byly předmětem vážných sporů a pozornosti tisku kvůli nedostatečnému ohraničení, vývinu kouře (při hoření některých složek v pěně), úniku plynného vodíku, smršťování a praskání. Tyto problémy odhalil Gerald W. Brown, což vedlo k velkému počtu hlášených událostí u držitelů licencí (provozovatelů jaderných elektráren) Komise pro jaderný dozor (NRC).

Přípravky pro osobní péči

Silikony se používají jako složky některých přípravků pro bezoplachový kondicionér na vlasy. Tyto přípravky využívají voděodolnost silikonu, aby zabránily vniknutí vlhkosti do suchého vlasového stvolu a zničení účesu.

Menstruační kalíšky

Menstruační kalíšek je typ kalíšku nebo bariéry, který se nosí uvnitř pochvy během menstruace k zachycení menstruační tekutiny. Menstruační kalíšky se často vyrábějí ze silikonu kvůli trvanlivosti a možnosti opakovaného použití.

Sluchadla

Silikon je běžný materiál používaný ve formách pro sluchadla typu „za uchem“. Má vynikající těsnicí vlastnosti, takže je ideální volbou pro pacienty s hlubokou ztrátou sluchu, kteří potřebují vysoce výkonná sluchadla.

Suché čištění

Tekutý silikon lze použít jako rozpouštědlo pro suché čištění. Proces dekamethylpentacyklosiloxanu (D5), který je označován za „ekologickou“ alternativu k tradičnímu perchlorethylenovému (neboli perc) rozpouštědlu, si nechala patentovat společnost GreenEarth Cleaning. Rozpouštědlo se rozkládá na písek a stopové množství vody a CO2 a odpad vznikající při chemickém čištění D5 není toxický a nebezpečný. Tím se výrazně snižuje dopad na životní prostředí v odvětví, které obvykle způsobuje velké znečištění.

Kapalný silikon je navíc chemicky inertní, což znamená, že během procesu čištění nereaguje s látkami ani barvivy. Tím se snižuje množství blednutí a smršťování, ke kterému dochází u většiny chemicky čištěných oděvů.

Viz také

• Prsní implantát
• Zubní hráz
• Čištění za sucha
• Firestop
• Nukleární reaktor
• Parchment
• Těsnicí prostředek
• Křemík

Poznámky

• Bondurant, Stuart, Virginia L. Ernster a Roger Herdman, (eds.). 2000. Bezpečnost silikonových prsních implantátů. Washington, DC: Institute of Medicine. ISBN 0585215553.

• Clarson, Stephen J. a další, (eds.). 2007. Science and Technology of Silicones and Silicone-Modified Materials [Věda a technologie silikonů a silikonem modifikovaných materiálů]. ACS Symposium Series, 964. Washington, DC: American Chemical Society. ISBN 9780841274372.

• Koerner, G. 1991. Silikony: G.: Silikony: chemie a technologie. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0849377404.

• Rochow, Eugene George. 1951. An Introduction to the Chemistry of the Silicones [Úvod do chemie silikonů]. New York: Wiley. OCLC 58852709.

• Stewart, Mary White. 1998. Silikonové skvrny: Silikon: Prsní implantáty v soudní síni. Westport, CT: Praeger. ISBN 0275963594.

Všechny odkazy vyhledány 4. listopadu 2019.

• Hořlavé „zápalné látky“ používané v reaktorech CANDU. – Tisková zpráva s prohlášeními amerického zástupce Eda Markeyho.
• Potenciální problémy s těsněním protipožárních bariér ze silikonové pěny. – U.S. Nuclear Regulatory Commission.
• Silicones Europe. – Centre Européen des Silicones (CES).
• Základy chemie křemíku. – Dow Corning.