Silikoni

Ei pidä sekoittaa alkuaineeseen pii.

Silikonitiivistettä voidaan käyttää perustiivisteenä veden ja ilman tunkeutumista vastaan.

Itsetasaava silikoninen palonsulkujärjestelmä, jota käytetään kupariputkien ympärillä, jotka läpäisevät kahden tunnin palonkestävyysluokitellun betonilattian asennelman.

Silikonit (tarkemmin polymeroidut siloksaanit tai polysiloksaanit) ovat epäorgaanisten ja orgaanisten polymeerien seoksia. Niiden yleinen kemiallinen kaava voidaan kirjoittaa muodossa n, jossa R vastaa orgaanista ryhmää, kuten metyyliä, etyyliä tai fenyyliä. Vaihtelemalla niiden koostumusta ja molekyylirakennetta voidaan valmistaa silikoneja, joilla on erilaisia ominaisuuksia. Niiden koostumus voi vaihdella nesteestä geeliin ja kumista kovaan muoviin. Yleisin siloksaani on polydimetyylisiloksaani (PDMS), joka on silikoniöljy. Toiseksi suurin ryhmä silikonimateriaaleja perustuu silikonihartseihin.

Erilaisia silikoneja on kehitetty erilaisiin sovelluksiin. Niitä käytetään esimerkiksi tiivisteaineina, muotteina, voiteluaineina, kuivapesuliuottimina, sähköeristeinä ja elektronisten komponenttien suojamateriaaleina. Niitä on myös joissakin palosuluissa, henkilökohtaisissa hoitotuotteissa ja kuulolaitteissa. Niiden käyttö rintaimplanteissa ja ydinreaktorirakennuksissa on kuitenkin herättänyt kiistoja.

Kemiallinen rakenne ja terminologia

Polydimetyylisiloksaanin (PDMS) kemiallinen rakenne.

Silikoniin viitataan usein virheellisesti nimellä ”pii”. Vaikka silikonit sisältävät piiatomeja, ne eivät koostu yksinomaan piistä, ja niillä on täysin erilaiset fysikaaliset ominaisuudet kuin alkuaineena olevalla piillä.

Sana ”silikoni” on johdettu sanasta ketoni. Dimetyylisilikonilla ja dimetyyliketonilla (asetonilla) on analogiset kemialliset kaavat, joten oletettiin (virheellisesti), että niillä on analogiset rakenteet. Asetonimolekyylissä (tai missä tahansa ketonimolekyylissä) hiiliatomin ja happiatomin välillä on kaksoissidos. Toisaalta silikonimolekyylissä ei ole kaksoissidosta piiatomin ja happiatomin välillä. Kemistit ovat havainneet, että piiatomi muodostaa yksinkertaisen sidoksen kummankin kahden happiatomin kanssa, eikä kaksoissidosta yhteen atomiin.

Polysiloksaaneja kutsutaan ”silikoneiksi” niiden rakennetta koskevien varhaisten virheellisten oletusten vuoksi. Ne koostuvat epäorgaanisesta piin ja hapen muodostamasta selkärangasta (…-Si-O-Si-O-Si-O-Si-O-…), jonka piiatomeihin on kiinnittynyt orgaanisia sivuryhmiä (ks. kuva, jossa esitetään polydimetyylisiloksaanin rakenne). Joissakin tapauksissa orgaanisia sivuryhmiä voidaan käyttää kahden tai useamman tällaisen -Si-O- selkärangan yhdistämiseen toisiinsa.

Vaihtelemalla -Si-O-ketjujen pituuksia, sivuryhmiä ja ristisilloitusta voidaan syntetisoida erilaisia silikoneja. Yleisin siloksaani on lineaarinen polydimetyylisiloksaani (PDMS), silikoniöljy (ks. kuvassa esitetty rakenne). Toiseksi suurin ryhmä silikonimateriaaleja perustuu silikonihartseihin, jotka muodostuvat haaroittuneista ja häkkimäisistä oligosiloksaaneista.

Synteesi

Silikonit syntetisoidaan kloorisilaaneista, tetraetoksisilaanista ja niihin liittyvistä yhdisteistä. PDMS:n tapauksessa lähtöaineena on dimetyylikloorisilaani, joka reagoi veden kanssa seuraavasti:

n + n → n + 2n HCl

Polymeroinnin aikana tässä reaktiossa kehittyy mahdollisesti vaarallista kloorivetykaasua. Lääketieteellistä käyttöä varten kehitettiin prosessi, jossa silaanin esiasteessa olevat klooriatomit korvattiin asetaattiryhmillä, jolloin lopullisen kovettumisprosessin reaktiotuotteena on myrkytön etikkahappo (etikka). Sivuvaikutuksena kovettumisprosessi on tällöin myös paljon hitaampi. Tätä kemiaa käytetään monissa kuluttajasovelluksissa, kuten silikonitiivisteissä ja -liimoissa.

Silaanin lähtöaineita, joissa on enemmän happoa muodostavia ryhmiä ja vähemmän metyyliryhmiä, kuten metyylitrikloorisilaania, voidaan käyttää tuomaan polymeeriketjuun haaroja tai poikkisilloja. Ihannetapauksessa tällaisen yhdisteen jokaisesta molekyylistä tulee haarakohta. Tätä voidaan käyttää kovien silikonihartsien valmistukseen. Vastaavasti esiasteilla, joissa on kolme metyyliryhmää, voidaan rajoittaa molekyylipainoa, koska kullakin tällaisella molekyylillä on vain yksi reaktiivinen kohta ja se muodostaa siten siloksaaniketjun pään.

Nykyaikaiset silikonihartsit valmistetaan tetraetoksisilaanilla, joka reagoi miedommin ja hallitummin kuin kloorisilaanit.

Ominaisuudet

Joitakin silikonin hyödyllisimpiä ominaisuuksia ovat:

1. Lämpöstabiilisuus (Ominaisuuksien pysyvyys laajalla käyttöalueella -100-250°C)
2. Kyky hylkiä vettä ja muodostaa vesitiiviitä tiivisteitä
3. Erinomainen hapen, otsonin ja auringonvalon kestävyys
4. Joustavuus
5. Sähköä eristävä tai johtava, rakenteesta ja koostumuksesta riippuen
6. Antiadhesiivinen
7. Matalaa kemiallista reaktiivisuutta
8. Matalaa myrkyllisyyttä
9. Hyvää kaasunläpäisevyyttä

Silikonikumi

Joustavaa, kumimaisen oloista polysiloksaania kutsutaan nimellä silikonikumi. Sitä voidaan suulakepuristaa putkiksi, kaistaleiksi, kiinteäksi naruksi ja räätälöidyiksi profiileiksi. Se kestää erinomaisesti äärimmäisiä lämpötiloja ja on erittäin inertti useimpia kemikaaleja kohtaan. Orgaaninen kumi, jonka selkäranka koostuu hiilestä hiileen, on yleensä altis otsonille, UV-säteilylle, kuumuudelle ja muille vanhenemistekijöille. Silikonikumi sitä vastoin kestää näiden tekijöiden vaikutuksia, minkä vuoksi se on suositeltava materiaali monissa äärimmäisissä ympäristöissä. Koska se on inerttiä, sitä käytetään monissa lääketieteellisissä sovelluksissa, mukaan lukien lääketieteelliset implantit.

Monilla silikonikumin erikoislaaduilla on seuraavat ominaisuudet: sähkönjohtavuus, vähäinen savunmuodostus, liekkipäästöjen hidastaminen, hehkuminen pimeässä ja kestävyys höyryä, kaasuja, öljyjä, happoja ja muita kemikaaleja vastaan.

Silikonin käyttötarkoitukset

Muotinvalmistusmateriaali

Kaksikomponenttisia silikonijärjestelmiä käytetään kumimuottien luomiseen, joita voidaan käyttää hartsien, vaahtojen, kumin ja matalalämpöisten seosten tuotantovalamiseen. Silikonimuotti vaatii yleensä vain vähän tai ei lainkaan muotin irrotusta tai pinnan valmistelua, koska useimmat materiaalit eivät tartu silikoniin.

Saumausaineet

Yksikomponenttiset silikonisaumausaineet ovat yleisessä käytössä rakennusten rakojen, saumojen ja rakojen tiivistämiseen. Nämä silikonit kovettuvat imemällä ilmankosteutta. Silikonikumin lujuus ja luotettavuus on laajalti tunnustettu rakennusteollisuudessa.

Erinomainen silikonikumin käyttökohde on autojen kattoluukkujen tiivisteet, joiden on kestettävä kovia lämpötiloja ja muita ympäristöolosuhteita, kuten otsonia, UV-valoa ja saasteet, puhumattakaan tavallisista autonpuhdistusaineista, vahoista ja niin edelleen.

Voiteluaine

Vesijohtoverkostossa ja autoteollisuudessa käytetään usein silikonirasvaa voiteluaineena. LVI-alalla rasvaa käytetään tyypillisesti hanojen ja venttiilien O-renkaisiin. Autoteollisuudessa silikonirasvaa käytetään tyypillisesti jarrukomponenttien voiteluaineena, koska se on stabiili korkeissa lämpötiloissa, ei liukene veteen ja likaa jarrupaloja paljon epätodennäköisemmin kuin muut voiteluaineet.

Kokkaussovellukset

Silikonia kyllästetään myös pergamenttipaperiin ja sitä käytetään tarttumattomana materiaalina esimerkiksi leivonnassa ja höyryssä. Silikoni tekee paperista myös lämmön- ja rasvankestävää. Tämän ansiosta paperilla voidaan vuorata keksilevyjä ja korvata rasvaus, mikä nopeuttaa leivonnaisten massatuotantoa. Sitä käytetään yleisesti myös pussiruoanlaitossa, jossa ainekset suljetaan pergamenttipaperista valmistettuun astiaan ja annetaan höyrystyä.

Silikonikumista valmistetaan astioita (erityisesti lastoja) ja leivontatarvikkeita.

Silikonihartseja käytetään kuumuutta kestävissä astioissa. Nämä muistuttavat usein keraamisia esineitä, mutta ovat paljon vähemmän hauraita, minkä vuoksi niitä käytetään mielellään vauvojen kanssa.

Sähkö- ja elektroniikkakomponentit

Autojen sytytystulppajohdot eristetään usein useilla silikonikerroksilla. Lisäksi elektroniset komponentit suojataan joskus ympäristön vaikutuksilta koteloimalla ne silikoniin. Tämä lisää niiden kestävyyttä mekaanisia iskuja, säteilyä ja tärinää vastaan. Silikonit valitaan polyuretaani- tai epoksikapseloinnin sijaan silloin, kun tarvitaan laaja käyttölämpötila-alue (-150-600 °F). Silikonien etuna on myös vähäinen lämmönnousu kovettumisprosessissa, alhainen myrkyllisyys, hyvät sähköiset ominaisuudet ja korkea puhtaus. Siksi niitä käytetään, kun komponenteilta vaaditaan kestävyyttä ja korkeaa suorituskykyä vaativissa olosuhteissa, kuten satelliiteissa avaruudessa.

Silikonirintaimplantit

1980- ja 1990-luvuilla syntyi kiistaa väitteistä, joiden mukaan rintaimplanttien silikonigeeli aiheuttaisi useita systeemisiä terveysongelmia, kuten autoimmuunisairauksia ja syöpää. Useat kanteet, joissa väitettiin implanttien aiheuttaneen vammoja, johtivat Dow Corningin konkurssiin vuonna 1998 ja siihen, että silikoni-implanttien käyttö rintojen suurennukseen keskeytettiin Yhdysvalloissa ja Kanadassa tutkimusten tekemistä odotettaessa. Useissa tutkimuksissa ja asiantuntijapaneeleissa, joita on sittemmin tehty maailmanlaajuisesti, on kuitenkin johdonmukaisesti todettu, että silikonirintaimplantteja käyttävillä naisilla ei ole suurempaa todennäköisyyttä sairastua systeemisiin sairauksiin kuin naisilla, joilla ei ole rintaimplantteja. Vuonna 2006 sekä Kanadan terveysvirasto (Health Canada) että Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto (FDA) ottivat samankaltaisen kannan kuin muutkin maat ja sallivat silikoni-implanttien käytön kosmeettisessa rintojen suurennuksessa omissa maissaan.

Palosuojat

Virheellinen Saknon silikonivaahtopalosuojan asennus Calgaryn jätevedenpuhdistamolla 1980-luvulla, jota käytettiin valetun betonisen palo-osastoinnin palo-oven yläpuolisen aukon sulkemiseen.

Oikein asennettuna silikonivaahtopalosuojat voidaan valmistaa rakentamismääräysten mukaisiksi. Etuihin kuuluvat joustavuus ja korkea dielektrinen lujuus. Haittapuolina ovat huono sidonta, palavuus (vaikea sammuttaa) ja merkittävä savunmuodostus.

Silikonivaahtoja on käytetty Pohjois-Amerikassa sekä israelilaisissa Dimona-ydinreaktorirakennuksissa, kun on yritetty tulpata palonkestävyysluokiteltujen seinä- ja lattiakokoonpanojen sisällä olevia aukkoja estääkseen liekkien ja savun leviämisen huoneesta toiseen. Israelilaiset siirtyivät käyttämään tämän tuotteen hieman kalliimpaa mutta paljon turvallisempaa ”elastomeeriversiota”, jolla vältetään useimmat vaahtomuoviversioon liittyvät turvallisuusongelmat.

Silikonivaahtomuovipalopellit ovat olleet vakavan kiistan ja lehdistön huomion kohteena asianmukaisen sidonnan puutteen, savunmuodostuksen (joidenkin vaahtomuovissa olevien komponenttien palaessa), vetykaasun karkaamisen, kutistumisen ja halkeilun vuoksi. Nämä ongelmat paljasti Gerald W. Brown, mikä johti lukuisiin raportoitaviin tapahtumiin Nuclear Regulatory Commissionin (NRC) luvanhaltijoiden (ydinvoimaloiden operaattoreiden) keskuudessa.

Henkilökohtaiset hoitotuotteet

Silikoneja käytetään ainesosina joissakin hiustenhoitotuotteissa. Nämä koostumukset hyödyntävät silikonin vedenkestävyyttä estääkseen kosteuden pääsyn kuivaan hiusakseliin ja tyylin pilaamisen.

Menstruaatiokupit

Menstruaatiokuppi on eräänlainen kuppityyppi tai este, jota kannetaan emättimen sisäpuolella kuukautisten aikana kuukautisnesteen keräämistä varten. Kuukautiskupit valmistetaan usein silikonista kestävyyden ja uudelleenkäytettävyyden vuoksi.

Kuulokojeet

Silikoni on yleinen materiaali, jota käytetään korvan taakse asennettavien kuulokojeiden muoteissa. Sillä on erinomaiset tiivistysominaisuudet, joten se on ihanteellinen valinta potilaille, joilla on syviä kuulonalenemia ja jotka tarvitsevat suuritehoisia kuulolaitteita.

Kuivapesu

Nesteytettyä silikonia voidaan käyttää kuivapesun liuottimena. GreenEarth Cleaning -yritys on patentoinut dekametyylipentasyclosiloksaaniprosessin (D5), jota mainostetaan ”ympäristöystävällisenä” vaihtoehtona perinteiselle perkloorietyleeniliuottimelle (perc). Liuotin hajoaa hiekaksi ja pieniksi määriksi vettä ja hiilidioksidia, ja D5-kuivapesuprosessista syntyvä jäte on myrkytöntä ja vaaratonta. Tämä vähentää merkittävästi tämän tyypillisesti paljon saastuttavan teollisuudenalan ympäristövaikutuksia.

Lisäksi nestemäinen silikoni on kemiallisesti inerttiä, mikä tarkoittaa, että se ei reagoi kankaiden tai väriaineiden kanssa puhdistusprosessin aikana. Tämä vähentää haalistumista ja kutistumista, joita esiintyy useimmissa kemiallisesti puhdistetuissa vaatteissa.

Katso myös

• Rintaimplantti
• Hammasproteiini
• Kuivapuhdistus
• Tulipalonesto
• Ydinreaktori
• Parketti
• Sealant
• Silicon

Huomautuksia

• Bondurant, Stuart, Virginia L. Ernster ja Roger Herdman, (toim.). 2000. Silikonirintaimplanttien turvallisuus. Washington, DC: Institute of Medicine. ISBN 0585215553.

• Clarson, Stephen J., et al., (toim.). 2007. Silikonien ja silikonimodifioitujen materiaalien tiede ja teknologia. ACS Symposium Series, 964. Washington, DC: American Chemical Society. ISBN 9780841274372.

• Koerner, G. 1991. Silikonit: Chemistry and Technology. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0849377404.

• Rochow, Eugene George. 1951. An Introduction to the Chemistry of the Silicones. New York: Wiley. OCLC 58852709.

• Stewart, Mary White. 1998. Silikonivuodot: Breast Implants on Trial. Westport, CT: Praeger. ISBN 0275963594.

Kaikki linkit haettu 4. marraskuuta 2019.

• Flammable ’Firestops’ Used in CANDU Reactors. – Lehdistötiedote Yhdysvaltain edustajan Ed Markeyn lausunnoista.
• Potential Problems with Silicone Foam Fire Barrier Penetration Seals. – U.S. Nuclear Regulatory Commission.
• Silicones Europe. – Centre Européen des Silicones (CES).
• The Basics of Silicon Chemistry. – Dow Corning.