Silicone

Da non confondere con l’elemento silicio.

Il silicone può essere usato come sigillante di base contro la penetrazione dell’acqua e dell’aria.

Sistema auto livellante in silicone per la protezione antincendio usato intorno ai tubi di rame che penetrano in un pavimento di cemento con resistenza al fuoco di due ore.

I siliconi (chiamati più precisamente silossani polimerizzati o polisilossani) sono polimeri misti inorganico-organici. La loro formula chimica generale può essere scritta come n, dove R corrisponde a un gruppo organico come metile, etile o fenile. Variando la loro composizione e le strutture molecolari, si possono preparare siliconi con una gamma di proprietà. Possono variare in consistenza da liquido a gel a gomma a plastica dura. Il silossano più comune è il polidimetilsilossano (PDMS), un olio di silicone. Il secondo gruppo più grande di materiali siliconici è basato su resine siliconiche.

Diversi tipi di siliconi sono stati sviluppati per una varietà di applicazioni. Per esempio, sono usati come sigillanti, stampi, lubrificanti, solventi per il lavaggio a secco, isolanti elettrici e materiale protettivo per componenti elettronici. Si trovano anche in alcuni materiali antincendio, prodotti per la cura personale e apparecchi acustici. Tuttavia, il loro uso nelle protesi mammarie e negli edifici dei reattori nucleari ha suscitato controversie.

Struttura chimica e terminologia

Struttura chimica del polidimetilsilossano (PDMS).

Il silicone è spesso erroneamente indicato come “silicio”. Anche se i siliconi contengono atomi di silicio, non sono fatti esclusivamente di silicio, e hanno caratteristiche fisiche completamente diverse dal silicio elementare.

La parola “silicone” deriva da chetone. Il dimetilsilicone e il dimetilchetone (acetone) hanno formule chimiche analoghe, quindi si è supposto (erroneamente) che abbiano strutture analoghe. Nel caso di una molecola di acetone (o di qualsiasi chetone), c’è un doppio legame tra un atomo di carbonio e un atomo di ossigeno. D’altra parte, una molecola di silicone non contiene un doppio legame tra un atomo di silicio e un atomo di ossigeno. I chimici hanno scoperto che l’atomo di silicio forma un singolo legame con ciascuno dei due atomi di ossigeno, piuttosto che un doppio legame con un singolo atomo.

I polisilossani sono chiamati “siliconi” a causa dei primi presupposti errati sulla loro struttura. Sono costituiti da una spina dorsale inorganica di silicio-ossigeno (…-Si-O-Si-O-Si-O-…) con gruppi laterali organici attaccati agli atomi di silicio (vedi la figura che mostra la struttura del polidimetilsilossano). In alcuni casi, i gruppi laterali organici possono essere usati per collegare due o più di questi backbone -Si-O- insieme.

Variando la lunghezza della catena -Si-O-, i gruppi laterali e la reticolazione, è possibile sintetizzare una varietà di siliconi. Il silossano più comune è il polidimetilsilossano lineare (PDMS), un olio di silicone (vedi la struttura mostrata in figura). Il secondo gruppo più grande di materiali siliconici è basato sulle resine siliconiche, che sono formate da oligosilossani ramificati e a gabbia.

Sintesi

I siliconi sono sintetizzati da clorosilani, tetraetossisilano, e composti correlati. Nel caso del PDMS, il materiale di partenza è il dimetilclorosilano, che reagisce con l’acqua come segue:

n + n → n + 2n HCl

Durante la polimerizzazione, questa reazione sviluppa gas cloruro di idrogeno potenzialmente pericoloso. Per usi medici, è stato sviluppato un processo in cui gli atomi di cloro nel precursore silano sono stati sostituiti con gruppi di acetato, in modo che il prodotto di reazione del processo di polimerizzazione finale sia acido acetico non tossico (aceto). Come effetto collaterale, il processo di indurimento è anche molto più lento in questo caso. Questa è la chimica usata in molte applicazioni di consumo, come i rivestimenti e gli adesivi in silicone.

I precursori silani con più gruppi formanti acido e meno gruppi metilici, come il metiltriclorosilano, possono essere usati per introdurre rami o legami incrociati nella catena polimerica. Idealmente, ogni molecola di tale composto diventa un punto di diramazione. Questo può essere usato per produrre resine siliconiche dure. Allo stesso modo, i precursori con tre gruppi metilici possono essere usati per limitare il peso molecolare, poiché ogni molecola di questo tipo ha solo un sito reattivo e quindi forma la fine di una catena silossanica.

Le moderne resine siliconiche sono fatte con tetraetossisilano, che reagisce in modo più delicato e controllabile dei clorosilani.

Proprietà

Alcune delle proprietà più utili del silicone includono:

1. Stabilità termica (Costanza delle proprietà in un ampio intervallo operativo da -100 a 250°C)
2. La capacità di respingere l’acqua e formare guarnizioni impermeabili
3. Eccellente resistenza a ossigeno, ozono e luce solare
4. Flessibilità
5. Elettricamente isolante o conduttivo, a seconda della struttura e della composizione
6. Anti adesivi
7. Bassa reattività chimica
8. Bassa tossicità
9. Alta permeabilità ai gas

Gomma di silicone

Un polisilossano flessibile e gommoso è conosciuto come gomma di silicone. Può essere estruso in tubi, strisce, corde solide e profili personalizzati. Offre un’eccellente resistenza alle temperature estreme ed è altamente inerte verso la maggior parte dei prodotti chimici. La gomma organica, con una spina dorsale in carbonio, è generalmente suscettibile all’ozono, ai raggi UV, al calore e ad altri fattori di invecchiamento. La gomma siliconica, al contrario, può resistere agli effetti di questi agenti, rendendola il materiale preferito in molti ambienti estremi. Data la sua inerzia, viene utilizzata in molte applicazioni mediche, compresi gli impianti medici.

Molti gradi specializzati di gomma siliconica hanno queste proprietà: conducibilità elettrica, bassa emissione di fumo, ritardo di fiamma, bagliore nel buio e resistenza a vapore, gas, oli, acidi e altri prodotti chimici.

Usi del silicone

Materiale per la produzione di stampi

I sistemi di silicone a due parti sono usati per creare stampi in gomma, che possono essere usati per la produzione di resine, schiume, gomma e leghe a bassa temperatura. Uno stampo in silicone generalmente richiede poco o nessun rilascio dello stampo o preparazione della superficie, poiché la maggior parte dei materiali non aderisce al silicone.

Sigillanti

I sigillanti siliconici in un unico pezzo sono di uso comune per sigillare spazi vuoti, giunti e fessure negli edifici. Questi siliconi si curano assorbendo l’umidità atmosferica. La forza e l’affidabilità della gomma siliconica sono ampiamente riconosciute nell’industria delle costruzioni.

Un uso eccellente della gomma siliconica è per le guarnizioni del tettuccio apribile delle automobili, che devono sopportare temperature rigide e altre condizioni ambientali come l’ozono, i raggi UV e l’inquinamento, per non parlare dei comuni detergenti per automobili, delle cere e così via.

Lubrificante

Nei settori idraulico e automobilistico, il grasso di silicone è spesso usato come lubrificante. Nell’idraulica, il grasso è tipicamente applicato agli O-ring di rubinetti e valvole. Nel campo automobilistico, il grasso al silicone è tipicamente usato come lubrificante per i componenti dei freni, in quanto è stabile alle alte temperature, è insolubile in acqua e ha molte meno probabilità di altri lubrificanti di sporcare le pastiglie dei freni.

Applicazioni per la cottura

Il silicone è anche impregnato nella carta pergamena e usato come materiale antiaderente per applicazioni come la cottura al forno e al vapore. Il silicone rende anche la carta resistente al calore e al grasso. Questo permette alla carta di allineare i fogli dei biscotti e di agire come sostituto dell’ingrassaggio, accelerando così la produzione di massa di prodotti da forno. È anche comunemente usata nella cottura a sacchetto, dove gli ingredienti sono sigillati in un contenitore fatto di carta pergamena e lasciato cuocere a vapore.

La gomma siliconica è usata per fare utensili (in particolare spatole) e pentole da forno.

Le resine siliconiche sono usate in stoviglie resistenti al calore. Queste spesso assomigliano agli articoli di ceramica ma sono molto meno fragili, rendendoli popolari per l’uso con i bambini.

Componenti elettrici ed elettronici

I fili delle candele automobilistiche sono spesso isolati da strati multipli di silicone. Inoltre, i componenti elettronici sono talvolta protetti dalle influenze ambientali racchiudendoli nel silicone. Questo aumenta la loro stabilità contro gli shock meccanici, le radiazioni e le vibrazioni. I siliconi sono selezionati rispetto all’incapsulamento poliuretanico o epossidico quando è richiesta un’ampia gamma di temperature operative (da -150 a 600°F). I siliconi hanno anche il vantaggio di aumentare poco il calore nel processo di polimerizzazione, bassa tossicità, buone proprietà elettriche e alta purezza. Perciò sono usati quando sono richieste durabilità e alte prestazioni dei componenti in condizioni difficili, come per i satelliti nello spazio.

Impianti mammari in silicone

Negli anni ’80 e ’90, si è sviluppata una controversia intorno alle affermazioni che il gel di silicone nelle protesi mammarie era responsabile di una serie di problemi di salute sistemici, comprese malattie autoimmuni e cancro. Molteplici cause legali che rivendicano lesioni da protesi hanno portato alla bancarotta di Dow Corning nel 1998 e a una moratoria sull’uso di protesi al silicone per l’aumento del seno negli Stati Uniti e in Canada in attesa di studi. Tuttavia, molteplici studi e gruppi di revisione di esperti eseguiti in tutto il mondo da allora hanno costantemente concluso che le donne con protesi al silicone non hanno più probabilità di sviluppare malattie sistemiche rispetto alle donne senza protesi al seno. Nel 2006, sia Health Canada che la Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti hanno adottato posizioni simili a quelle di altri paesi nel permettere l’uso di protesi al silicone per l’aumento cosmetico del seno nei loro rispettivi paesi.

Firestops

Installazione difettosa del firestop in schiuma di silicone Sakno nell’impianto di trattamento delle acque reflue di Calgary negli anni ’80, usato per sigillare l’apertura sopra una porta antincendio in una separazione antincendio in calcestruzzo colato.

Se installati correttamente, i firestop in schiuma di silicone possono essere fabbricati per la conformità alle norme edilizie. I vantaggi includono la flessibilità e l’alta resistenza dielettrica. Gli svantaggi includono la scarsa aderenza, la combustibilità (difficile da estinguere) e un significativo sviluppo di fumo.

Le schiume di silicone sono state usate nel Nord America e negli edifici del reattore nucleare israeliano Dimona, nel tentativo di bloccare le aperture all’interno di pareti e pavimenti resistenti al fuoco, per prevenire la diffusione di fiamme e fumo da una stanza all’altra. Gli israeliani sono passati alla versione “elastomero” di questo prodotto, un po’ più costosa ma molto più sicura, che evita la maggior parte dei problemi di sicurezza associati alla versione espansa.

I blocchi antincendio in schiuma di silicone sono stati oggetto di serie controversie e dell’attenzione della stampa a causa della mancanza di un adeguato contenimento, dello sviluppo di fumo (durante la combustione di alcuni componenti della schiuma), della fuga di gas idrogeno, del restringimento e della rottura. Questi problemi sono stati esposti da Gerald W. Brown, portando a un gran numero di eventi segnalati tra i licenziatari (operatori di centrali nucleari) della Nuclear Regulatory Commission (NRC).

Prodotti per la cura della persona

I siliconi sono usati come ingredienti in alcuni prodotti per la cura dei capelli. Queste formulazioni utilizzano la resistenza all’acqua del silicone per evitare che l’umidità entri in un capello asciutto e rovini lo stile.

Coppe mestruali

Una coppa mestruale è un tipo di coppa o barriera indossata all’interno della vagina durante le mestruazioni per raccogliere il liquido mestruale. Le coppe mestruali sono spesso fatte di silicone per la durata e la riutilizzabilità.

Aiuti acustici

Il silicone è un materiale comunemente usato negli stampi per gli apparecchi acustici dietro l’orecchio. Ha eccellenti proprietà di tenuta, che lo rendono una scelta ideale per i pazienti con perdite uditive profonde che hanno bisogno di apparecchi acustici ad alta potenza.

Pulizia a secco

Il silicone liquido può essere usato come solvente per la pulizia a secco. Presentato come un’alternativa “ecologica” al tradizionale solvente percloroetilene (o perc), il processo decametilpentaciclosilossano (D5) è stato brevettato dalla società GreenEarth Cleaning. Il solvente si degrada in sabbia e tracce di acqua e CO2, e i rifiuti prodotti dal processo di lavaggio a secco D5 non sono tossici e non sono pericolosi. Questo riduce significativamente l’impatto ambientale di un’industria tipicamente molto inquinante.

Inoltre, il silicone liquido è chimicamente inerte, cioè non reagisce con i tessuti o i coloranti durante il processo di pulizia. Questo riduce la quantità di sbiadimento e restringimento che la maggior parte dei capi lavati a secco sperimentano.

Vedi anche

• Impianto mammario
• Dentario
• Pulizia a secco
• Firestop
• Reattore nucleare
• Parcheggio
• Sigillante
• Silicio

Note

• Bondurant, Stuart, Virginia L. Ernster, e Roger Herdman, (eds.). 2000. Safety of Silicone Breast Implants. Washington, DC: Istituto di Medicina. ISBN 0585215553.

• Clarson, Stephen J., et al. 2007. Scienza e tecnologia dei siliconi e dei materiali modificati con silicone. ACS Symposium Series, 964. Washington, DC: American Chemical Society. ISBN 9780841274372.

• Koerner, G. 1991. Siliconi: 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. Fuoriuscite di silicone: Breast Implants on Trial. Westport, CT: Praeger. ISBN 0275963594.

Tutti i link recuperati il 4 novembre 2019.

• ‘Firestops’ infiammabili usati nei reattori CANDU. – Comunicato stampa delle dichiarazioni del rappresentante degli Stati Uniti Ed Markey.
• Potenziali problemi con le guarnizioni della barriera antincendio in schiuma di silicone. – U.S. Nuclear Regulatory Commission.
• Silicones Europe. – Centre Européen des Silicones (CES).
• The Basics of Silicon Chemistry. – Dow Corning.