Silicone

À ne pas confondre avec l’élément silicium.

Le calfeutrage au silicone peut être utilisé comme un produit d’étanchéité de base contre la pénétration de l’eau et de l’air.

Système coupe-feu au silicone auto-nivelant utilisé autour des tuyaux de cuivre pénétrant dans un assemblage de plancher en béton ayant une résistance au feu de deux heures.

Les silicones (plus précisément appelés siloxanes polymérisés ou polysiloxanes) sont des polymères mixtes inorganiques-organiques. Leur formule chimique générale peut s’écrire n, où R correspond à un groupe organique tel que méthyle, éthyle ou phényle. En faisant varier leur composition et leur structure moléculaire, il est possible de préparer des silicones aux propriétés très diverses. Leur consistance peut varier du liquide au gel, du caoutchouc au plastique dur. Le siloxane le plus courant est le polydiméthylsiloxane (PDMS), une huile de silicone. Le deuxième plus grand groupe de matériaux silicones est basé sur les résines de silicone.

Différents types de silicones ont été développés pour une variété d’applications. Par exemple, ils sont utilisés comme mastics, moules, lubrifiants, solvants de nettoyage à sec, isolants électriques et matériaux de protection pour les composants électroniques. On les trouve également dans certains coupe-feu, produits de soins personnels et appareils auditifs. Cependant, leurs utilisations dans les implants mammaires et les bâtiments de réacteurs nucléaires ont suscité la controverse.

Structure chimique et terminologie

Structure chimique du polydiméthylsiloxane (PDMS).

La silicone est souvent appelée à tort « silicium ». Bien que les silicones contiennent des atomes de silicium, elles ne sont pas composées exclusivement de silicium, et elles ont des caractéristiques physiques complètement différentes du silicium élémentaire.

Le mot « silicone » est dérivé de cétone. La diméthylsilicone et la diméthylcétone (acétone) ont des formules chimiques analogues, on a donc supposé (à tort) qu’elles avaient des structures analogues. Dans le cas d’une molécule d’acétone (ou de toute cétone), il existe une double liaison entre un atome de carbone et un atome d’oxygène. En revanche, une molécule de silicone ne contient pas de double liaison entre un atome de silicium et un atome d’oxygène. Les chimistes ont découvert que l’atome de silicium forme une liaison simple avec chacun des deux atomes d’oxygène, plutôt qu’une double liaison avec un seul atome.

Les polysiloxanes sont appelés « silicones » en raison des premières hypothèses erronées sur leur structure. Ils sont constitués d’un squelette inorganique silicium-oxygène (…-Si-O-Si-O-Si-O-…) avec des groupes latéraux organiques attachés aux atomes de silicium (voir la figure montrant la structure du polydiméthylsiloxane). Dans certains cas, des groupes latéraux organiques peuvent être utilisés pour relier deux ou plusieurs de ces squelettes -Si-O- entre eux.

En variant les longueurs de chaîne -Si-O-, les groupes latéraux et la réticulation, une variété de silicones peut être synthétisée. Le siloxane le plus courant est le polydiméthylsiloxane linéaire (PDMS), une huile de silicone (voir la structure représentée sur la figure). Le deuxième plus grand groupe de matériaux silicones est basé sur les résines de silicone, qui sont formées par des oligosiloxanes ramifiés et en forme de cage.

Synthèse

Les silicones sont synthétisés à partir de chlorosilanes, de tétraéthoxysilane et de composés apparentés. Dans le cas du PDMS, le produit de départ est le diméthylchlorosilane, qui réagit avec l’eau comme suit :

n + n → n + 2n HCl

Pendant la polymérisation, cette réaction dégage du chlorure d’hydrogène gazeux potentiellement dangereux. Pour des utilisations médicales, un procédé a été développé où les atomes de chlore dans le précurseur de silane ont été remplacés par des groupes acétate, de sorte que le produit de réaction du processus de durcissement final est de l’acide acétique non toxique (vinaigre). Comme effet secondaire, le processus de durcissement est également beaucoup plus lent dans ce cas. C’est la chimie utilisée dans de nombreuses applications grand public, telles que les calfeutrages et les adhésifs en silicone.

Les précurseurs de silane avec plus de groupes formateurs d’acide et moins de groupes méthyle, tels que le méthyltrichlorosilane, peuvent être utilisés pour introduire des branches ou des liaisons transversales dans la chaîne polymère. Idéalement, chaque molécule d’un tel composé devient un point de ramification. Ceci peut être utilisé pour produire des résines de silicone dures. De même, les précurseurs comportant trois groupes méthyles peuvent être utilisés pour limiter le poids moléculaire, puisque chaque molécule de ce type ne possède qu’un seul site réactif et forme ainsi l’extrémité d’une chaîne siloxane.

Les résines de silicone modernes sont fabriquées avec du tétraéthoxysilane, qui réagit de manière plus douce et plus contrôlable que les chlorosilanes.

Propriétés

Certaines des propriétés les plus utiles du silicone comprennent :

1. Stabilité thermique (Constance des propriétés sur une large plage de fonctionnement de -100 à 250°C)
2. Capacité à repousser l’eau et à former des joints étanches
3. Excellente résistance à l’oxygène, à l’ozone et à la lumière solaire
4. Flexibilité
5. Isolation ou conduction électrique, selon la structure et la composition
6. Anti-adhésif
7. faible réactivité chimique
8. faible toxicité
9. Haute perméabilité aux gaz

Caoutchouc de silicone

Un polysiloxane flexible et caoutchouteux est connu sous le nom de caoutchouc de silicone. Il peut être extrudé en tubes, en bandes, en cordon plein et en profils personnalisés. Il offre une excellente résistance aux températures extrêmes et est très inerte vis-à-vis de la plupart des produits chimiques. Le caoutchouc organique, avec un squelette carbone-carbone, est généralement sensible à l’ozone, aux UV, à la chaleur et à d’autres facteurs de vieillissement. Le caoutchouc de silicone, en revanche, peut résister aux effets de ces agents, ce qui en fait le matériau de choix dans de nombreux environnements extrêmes. Compte tenu de son inertie, il est utilisé dans de nombreuses applications médicales, y compris les implants médicaux.

De nombreuses qualités spécialisées de caoutchouc de silicone ont ces propriétés : conductivité électrique, faible émission de fumée, retardateur de flamme, brillance dans le noir et résistance à la vapeur, aux gaz, aux huiles, aux acides et autres produits chimiques.

Utilisations du silicone

Matériau de moulage

Des systèmes de silicone en deux parties sont utilisés pour créer des moules en caoutchouc, qui peuvent être utilisés pour le moulage de production de résines, de mousses, de caoutchouc et d’alliages à basse température. Un moule en silicone nécessite généralement peu ou pas de démoulage ou de préparation de surface, car la plupart des matériaux n’adhèrent pas au silicone.

Scellants

Les scellants en silicone à un composant sont couramment utilisés pour sceller les espaces, les joints et les crevasses dans les bâtiments. Ces silicones durcissent en absorbant l’humidité atmosphérique. La résistance et la fiabilité du caoutchouc de silicone sont largement reconnues dans l’industrie de la construction.

Une excellente utilisation du caoutchouc de silicone est celle des joints de toit ouvrant automobile, qui doivent supporter des températures rigoureuses et d’autres conditions environnementales telles que l’ozone, les rayons UV et la pollution, sans parler des nettoyants automobiles courants, des cires, etc.

Lubrifiant

Dans les domaines de la plomberie et de l’automobile, la graisse de silicone est souvent utilisée comme lubrifiant. Dans le domaine de la plomberie, la graisse est généralement appliquée sur les joints toriques des robinets et des vannes. Dans le domaine de l’automobile, la graisse de silicone est généralement utilisée comme lubrifiant pour les composants des freins, car elle est stable à haute température, insoluble dans l’eau et beaucoup moins susceptible que les autres lubrifiants d’encrasser les plaquettes de frein.

Applications culinaires

Le silicone est également imprégné dans le papier parchemin et utilisé comme matériau anti-adhésif pour des applications telles que la cuisson au four et à la vapeur. Le silicone rend également le papier résistant à la chaleur et aux graisses. Cela permet au papier de recouvrir les plaques à biscuits et de remplacer le graissage, accélérant ainsi la production en masse de produits de boulangerie. Il est également couramment utilisé dans la cuisson en sachet, où les ingrédients sont scellés dans un récipient fait de papier parchemin et laissé à la vapeur.

Le caoutchouc de silicone est utilisé pour fabriquer des ustensiles (notamment des spatules) et des articles de cuisson.

Les résines de silicone sont utilisées dans la vaisselle résistante à la chaleur. Ceux-ci ressemblent souvent à des articles en céramique mais sont beaucoup moins cassants, ce qui les rend populaires pour une utilisation avec les bébés.

Composants électriques et électroniques

Les fils de bougies d’allumage des automobiles sont souvent isolés par plusieurs couches de silicone. En outre, les composants électroniques sont parfois protégés des influences environnementales en les enfermant dans du silicone. Cela augmente leur stabilité contre les chocs mécaniques, les radiations et les vibrations. Les silicones sont préférées à l’encapsulation en polyuréthane ou en époxy lorsqu’une large plage de température de fonctionnement est requise (-150 à 600°F). Les silicones présentent également l’avantage d’une faible augmentation de la chaleur lors du processus de durcissement, d’une faible toxicité, de bonnes propriétés électriques et d’une grande pureté. Par conséquent, ils sont utilisés lorsque la durabilité et les hautes performances sont requises pour des composants dans des conditions exigeantes, comme pour les satellites dans l’espace.

Implants mammaires en silicone

Dans les années 1980 et 1990, une controverse s’est développée autour des affirmations selon lesquelles le gel de silicone contenu dans les implants mammaires était responsable d’un certain nombre de problèmes de santé systémiques, notamment de maladies auto-immunes et de cancers. De multiples poursuites judiciaires alléguant des blessures causées par les implants ont entraîné la faillite de Dow Corning en 1998 et un moratoire sur l’utilisation des implants en silicone pour l’augmentation mammaire aux États-Unis et au Canada dans l’attente d’une étude. Cependant, de multiples études et panels d’experts réalisés dans le monde entier depuis lors ont systématiquement conclu que les femmes ayant des implants mammaires en silicone ne sont pas plus susceptibles de développer des maladies systémiques que les femmes sans implants mammaires. En 2006, Santé Canada et la Food and Drug Administration (FDA) américaine ont adopté des positions similaires à celles d’autres pays en autorisant l’utilisation d’implants en silicone pour l’augmentation mammaire esthétique dans leurs pays respectifs.

Coupe-feu

Installation défectueuse de coupe-feu en mousse de silicone Sakno dans la station d’épuration de Calgary dans les années 1980, utilisée pour sceller l’ouverture au-dessus d’une porte coupe-feu dans une séparation coupe-feu en béton coulé.

Lorsqu’ils sont correctement installés, les coupe-feu en mousse de silicone peuvent être fabriqués pour être conformes au code du bâtiment. Les avantages comprennent la flexibilité et la résistance diélectrique élevée. Les inconvénients comprennent une mauvaise liaison, la combustibilité (difficile à éteindre) et un développement important de fumée.

Les mousses de silicone ont été utilisées en Amérique du Nord ainsi que dans les bâtiments du réacteur nucléaire israélien Dimona, pour tenter de boucher les ouvertures dans les assemblages de murs et de planchers classés résistants au feu, afin d’empêcher la propagation des flammes et de la fumée d’une pièce à l’autre. Les Israéliens ont opté pour la version « élastomère » de ce produit, un peu plus chère mais beaucoup plus sûre, qui évite la plupart des problèmes de sécurité associés à la version en mousse.

Les coupe-feu en mousse de silicone ont fait l’objet d’une sérieuse controverse et de l’attention de la presse en raison de l’absence d’un liant approprié, du développement de fumée (pendant la combustion de certains composants de la mousse), de l’échappement d’hydrogène gazeux, du rétrécissement et de la fissuration. Ces problèmes ont été exposés par Gerald W. Brown, ce qui a conduit à un grand nombre d’événements à signaler parmi les titulaires de licences (exploitants de centrales nucléaires) de la Nuclear Regulatory Commission (NRC).

Produits de soins personnels

Les silicones sont utilisées comme ingrédients dans certains produits de revitalisation capillaire sans rinçage. Ces formulations utilisent la résistance à l’eau du silicone pour empêcher l’humidité de pénétrer dans une tige capillaire sèche et de ruiner le style.

Coupes menstruelles

Une coupe menstruelle est un type de coupe ou de barrière portée à l’intérieur du vagin pendant la menstruation pour recueillir le liquide menstruel. Les coupes menstruelles sont souvent fabriquées en silicone pour leur durabilité et leur réutilisation.

Aides auditives

Le silicone est un matériau communément utilisé dans les moules pour les aides auditives de style contour d’oreille. Il possède d’excellentes propriétés d’étanchéité, ce qui en fait un choix idéal pour les patients souffrant de pertes auditives profondes et ayant besoin d’appareils auditifs à haute puissance.

Nettoyage à sec

Le silicone liquide peut être utilisé comme solvant de nettoyage à sec. Présenté comme une alternative « écologique » au solvant traditionnel perchloroéthylène (ou perc), le procédé décaméthylpentacyclosiloxane (D5) a été breveté par la société GreenEarth Cleaning. Le solvant se dégrade en sable et en traces d’eau et de CO2, et les déchets produits par le processus de nettoyage à sec D5 sont non toxiques et non dangereux. Cela réduit considérablement l’impact environnemental d’une industrie généralement très polluante.

De plus, le silicone liquide est chimiquement inerte, ce qui signifie qu’il ne réagit pas avec les tissus ou les teintures pendant le processus de nettoyage. Cela réduit la quantité de décoloration et de rétrécissement que la plupart des vêtements nettoyés à sec subissent.

Voir aussi

• Implant mammaire
• Digue dentaire
• Nettoyage à sec
• Firestop
• Réacteur nucléaire
• Parchemin

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• Scellant
• Silicone

Notes

• Bondurant, Stuart, Virginia L. Ernster, et Roger Herdman, (eds.). 2000. Sécurité des implants mammaires en silicone. Washington, DC : Institut de médecine. ISBN 0585215553.

• Clarson, Stephen J., et al. (eds.). 2007. Science et technologie des silicones et des matériaux modifiés par des silicones. ACS Symposium Series, 964. Washington, DC : American Chemical Society. ISBN 9780841274372.

• Koerner, G. 1991. Silicones : Chimie et technologie. Boca Raton : CRC Press. ISBN 0849377404.

• Rochow, Eugene George. 1951. Une introduction à la chimie des silicones. New York : Wiley. OCLC 58852709.

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

Tous les liens ont été récupérés le 4 novembre 2019.

• Des « coupe-feu » inflammables utilisés dans les réacteurs CANDU. – Communiqué de presse des déclarations du représentant américain Ed Markey.
• Problèmes potentiels avec les joints de pénétration des coupe-feu en mousse de silicone. – Commission de réglementation nucléaire des États-Unis.
• Silicones Europe. – Centre Européen des Silicones (CES).
• Les bases de la chimie du silicium. – Dow Corning.