Silicone

Niet te verwarren met het element silicium.

Siliconenkit kan worden gebruikt als basisafdichting tegen het binnendringen van water en lucht.

Zelfnivellerend siliconenbrandstopsysteem dat wordt gebruikt rond koperen leidingen die een betonnen vloerconstructie met een brandwerendheid van twee uur binnendringen.

Siliconen (nauwkeuriger gepolymeriseerde siloxanen of polysiloxanen genoemd) zijn gemengde anorganische-organische polymeren. Hun algemene chemische formule kan worden geschreven als n, waarbij R overeenkomt met een organische groep zoals methyl, ethyl of fenyl. Door de samenstelling en de moleculaire structuur te variëren, kunnen siliconen met uiteenlopende eigenschappen worden vervaardigd. Zij kunnen in consistentie variëren van vloeibaar tot gel tot rubber tot hard plastic. Het meest voorkomende siloxaan is polydimethylsiloxaan (PDMS), een siliconenolie. De op een na grootste groep siliconenmaterialen is gebaseerd op siliconenharsen.

Verschillende soorten siliconen zijn ontwikkeld voor een verscheidenheid van toepassingen. Zij worden bijvoorbeeld gebruikt als afdichtingsmiddelen, mallen, smeermiddelen, oplosmiddelen voor chemisch reinigen, elektrische isolatoren en beschermingsmateriaal voor elektronische componenten. Zij worden ook aangetroffen in sommige brandblussers, producten voor persoonlijke verzorging en gehoorapparaten. Hun gebruik in borstimplantaten en kernreactorgebouwen heeft echter controverse doen ontstaan.

Chemische structuur en terminologie

Chemische structuur van polydimethylsiloxaan (PDMS).

Silicone wordt vaak abusievelijk aangeduid als “silicium”. Hoewel siliconen siliciumatomen bevatten, bestaan zij niet uitsluitend uit silicium, en zij hebben volledig verschillende fysieke kenmerken van elementair silicium.

Het woord “siliconen” is afgeleid van keton. Dimethylsilicone en dimethyl ketone (aceton) hebben analoge chemische formules, daarom werd verondersteld (onjuist) dat zij analoge structuren hebben. In het geval van een acetonmolecule (of om het even welke ketonmolecule) is er een dubbele binding tussen een koolstofatoom en een zuurstofatoom. Een siliconenmolecule bevat daarentegen geen dubbele binding tussen een siliciumatoom en een zuurstofatoom. Scheikundigen hebben ontdekt dat het siliciumatoom een enkele binding vormt met elk van de twee zuurstofatomen, in plaats van een dubbele binding met een enkel atoom.

Polysiloxanen worden “siliconen” genoemd vanwege vroege verkeerde veronderstellingen over hun structuur. Zij bestaan uit een anorganische silicium-zuurstof ruggengraat (…-Si-O-Si-O-Si-O-…) met organische zijgroepen die aan de siliciumatomen zijn verbonden (zie de figuur die de structuur van polydimethylsiloxaan toont). In sommige gevallen kunnen organische zijgroepen worden gebruikt om twee of meer van deze -Si-O- backbones aan elkaar te koppelen.

Door de -Si-O- ketenlengten, zijgroepen, en verknoping te variëren, kan een verscheidenheid aan siliconen worden gesynthetiseerd. Het meest voorkomende siloxaan is lineair polydimethylsiloxaan (PDMS), een siliconenolie (zie de structuur in de figuur). De op een na grootste groep siliconenmaterialen is gebaseerd op siliconenharsen, die worden gevormd door vertakte en kooiachtige oligosiloxanen.

Synthese

Siliconen worden gesynthetiseerd uit chloorsilanen, tetraethoxysilaan, en verwante verbindingen. In het geval van PDMS is het uitgangsmateriaal dimethylchloorsilaan, dat als volgt met water reageert:

n + n → n + 2n HCl

Tijdens de polymerisatie komt bij deze reactie het potentieel gevaarlijke waterstofchloridegas vrij. Voor medische toepassingen werd een proces ontwikkeld waarbij de chlooratomen in de silaanvoorloper werden vervangen door acetaatgroepen, zodat het reactieproduct van het uiteindelijke uithardingsproces niet-toxisch azijnzuur (azijn) is. Als neveneffect is het uithardingsproces in dit geval ook veel trager. Dit is de chemie die in veel consumententoepassingen wordt gebruikt, zoals siliconenkit en -lijm.

Silaanprecursors met meer zuurvormende groepen en minder methylgroepen, zoals methyltrichloorsilaan, kunnen worden gebruikt om vertakkingen of cross-links in de polymeerketen te introduceren. In het ideale geval wordt elke molecule van een dergelijke verbinding een vertakkingspunt. Dit kan worden gebruikt om harde siliconenharsen te produceren. Evenzo kunnen precursors met drie methylgroepen worden gebruikt om het molecuulgewicht te beperken, aangezien elk van dergelijke moleculen slechts één reactieve plaats heeft en zo het uiteinde van een siloxaanketen vormt.

Moderne siliconenharsen worden gemaakt met tetraethoxysilaan, dat milder en beter controleerbaar reageert dan chloorsilanen.

Eigenschappen

Enkele van de meest nuttige eigenschappen van siliconen zijn:

1. Thermische stabiliteit (constante eigenschappen over een breed temperatuurbereik van -100 tot 250°C)
2. Het vermogen om water af te stoten en waterdichte afdichtingen te vormen
3. Uitstekende weerstand tegen zuurstof, ozon en zonlicht
4. Flexibiliteit
5. Elektrisch isolerend of geleidend, afhankelijk van structuur en samenstelling
6. Anti-kleefstof
7. Lage chemische reactiviteit
8. Lage toxiciteit
9. Hoge gasdoorlaatbaarheid

Silicone rubber

Een flexibel, rubberachtig polysiloxaan staat bekend als siliconenrubber. Het kan in buizen, stroken, stevig koord, en douaneprofielen worden uitgedreven. Het biedt uitstekende weerstand tegen extreme temperaturen en is zeer inert tegenover de meeste chemische producten. Organisch rubber, met een koolstof-op-koolstof ruggengraat, is over het algemeen gevoelig voor ozon, UV, hitte, en andere verouderingsfactoren. Siliconenrubber daarentegen is bestand tegen de effecten van deze middelen, waardoor het het materiaal bij uitstek is in vele extreme omgevingen. Gezien zijn inertie, wordt het gebruikt in vele medische toepassingen, met inbegrip van medische implants.

Veel gespecialiseerde rangen van siliconerubber hebben deze eigenschappen: elektrische geleidbaarheid, lage rookemissie, vlamvertraging, glow in the dark, en weerstand tegen stoom, gassen, oliën, zuren, en andere chemische producten.

Toepassingen van Silicone

Moldmaking materiaal

Twee-delige siliconensystemen worden gebruikt om rubbervormen te creëren, die voor productieafgietsel van harsen, schuimen, rubber, en laag-temperaturenlegeringen kunnen worden gebruikt. Een siliconevorm vereist over het algemeen weinig of geen vormversie of oppervlaktevoorbereiding, aangezien de meeste materialen niet aan silicone aanhangen.

Sealants

Eendelige siliconenverbindingen zijn in gemeenschappelijk gebruik om hiaten, verbindingen, en spleten in gebouwen te verzegelen. Deze siliconen harden uit door atmosferisch vocht te absorberen. De sterkte en betrouwbaarheid van siliconenrubber wordt algemeen erkend in de bouwindustrie.

Een uitstekend gebruik van siliconenrubber is voor afdichtingen van schuifdaken in auto’s, die zware temperaturen en andere omgevingsfactoren zoals ozon, UV-licht en vervuiling moeten doorstaan, om nog maar te zwijgen van gewone autoreinigingsmiddelen, wassen, enzovoort.

Smeermiddel

In de loodgieterij en de automobielindustrie wordt siliconenvet vaak gebruikt als smeermiddel. In loodgieterswerk, wordt het vet typisch toegepast op O-ringen in kranen en kleppen. Op automobielgebied, wordt het siliconenvet typisch gebruikt als smeermiddel voor remcomponenten, aangezien het bij hoge temperaturen stabiel is, onoplosbaar in water is, en veel minder waarschijnlijk dan andere smeermiddelen om remblokken te bevuilen.

Kooktoepassingen

Silicone wordt ook geïmpregneerd in perkamentpapier en gebruikt als non-stick materiaal voor toepassingen zoals bakken en stomen. De silicone maakt het papier ook hitte- en vetbestendig. Dit staat het papier toe om koekjesbladen te bekleden en als vervanging voor het invetten op te treden, waarbij de massaproduktie van gebakken goederen wordt versneld. Het wordt ook algemeen gebruikt in zak het koken, waar de ingrediënten in een container worden verzegeld die van perkamentpapier wordt gemaakt en wordt toegestaan te stomen.

Siliconenrubber wordt gebruikt om keukengerei (met name spatels) en bakeware.

Siliconenharsen worden gebruikt in hittebestendige dishware. Deze gelijken vaak op ceramische punten maar zijn veel minder bros, makend hen populair voor gebruik met baby’s.

Elektrische en elektronische componenten

Automotive de bougiekabels worden vaak geïsoleerd door veelvoudige lagen van silicone. Bovendien worden elektronische componenten soms tegen milieu-invloeden beschermd door ze in siliconen te omhullen. Dit verhoogt hun stabiliteit tegen mechanische schokken, straling en trillingen. Siliconen worden verkozen boven polyurethaan of epoxy inkapseling wanneer een breed bedrijfstemperatuurbereik is vereist (-150 tot 600°F). Siliconen hebben ook het voordeel van geringe warmtetoename bij het uithardingsproces, lage toxiciteit, goede elektrische eigenschappen, en hoge zuiverheid. Daarom worden zij gebruikt wanneer de duurzaamheid en de hoge prestaties van componenten in veeleisende voorwaarden, zoals voor satellieten in space.

Silicone borstimplantaten

In de jaren ’80 en de jaren ’90, ontwikkelde de controverse rond beweringen dat de siliconegel in borstimplantaten voor een aantal systemische gezondheidsproblemen, met inbegrip van auto-immune ziekten en kanker verantwoordelijk was. Meerdere rechtszaken waarin schade door implantaten werd geclaimd, leidden in 1998 tot het faillissement van Dow Corning en een moratorium op het gebruik van siliconenimplantaten voor borstvergroting in de VS en Canada in afwachting van onderzoek. Verschillende studies en beoordelingspanels van deskundigen die sindsdien wereldwijd zijn uitgevoerd, hebben echter consequent geconcludeerd dat vrouwen met siliconen borstimplantaten niet meer kans hebben om systemische ziekten te ontwikkelen dan vrouwen zonder borstimplantaten. In 2006 hebben zowel Health Canada als de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) standpunten ingenomen die vergelijkbaar zijn met die van andere landen door het gebruik van siliconenimplantaten voor cosmetische borstvergroting in hun respectieve landen toe te staan.

Firestops

Defecte Sakno-siliconenbrandstopinstallatie in de rioolwaterzuiveringsinstallatie van Calgary in de jaren tachtig, gebruikt om de opening boven een branddeur in een gegoten betonnen brandscheiding af te dichten.

Wanneer goed geïnstalleerd, kunnen brandstoppen van siliconenschuim worden vervaardigd om aan de bouwvoorschriften te voldoen. Voordelen zijn flexibiliteit en hoge diëlektrische sterkte. De nadelen omvatten slechte afbakening, brandbaarheid (moeilijk te blussen), en significante rookontwikkeling.

Siliconenschuim is gebruikt in Noordamerikaanse evenals de Israà “lische Dimona kernreactorgebouwen, in een poging om openingen binnen brand-weerstand geschatte muur en vloerassemblage brandstop te maken, om de verspreiding van vlammen en rook van één ruimte naar een andere te verhinderen. De Israëli’s schakelden over op de iets duurdere maar veel veiliger “elastomeer” versie van dit product, die de meeste veiligheidsproblemen voorkomt die geassocieerd worden met de geschuimde versie.

Siliconenschuim firestops zijn het onderwerp geweest van ernstige controverse en persaandacht vanwege gebrek aan goede begrenzing, rookontwikkeling (tijdens het verbranden van sommige componenten in het schuim), ontsnapping van waterstofgas, krimp, en scheurvorming. Deze problemen werden aan het licht gebracht door Gerald W. Brown, wat leidde tot een groot aantal te melden voorvallen bij licentiehouders (exploitanten van kerncentrales) van de Nuclear Regulatory Commission (NRC).

Producten voor persoonlijke verzorging

Siliconen worden gebruikt als ingrediënten in sommige leave-in haarconditioner producten. Deze formuleringen maken gebruik van de waterbestendigheid van siliconen om te voorkomen dat vocht een droge haarschacht binnendringt en de stijl verpest.

Menstruatiecups

Een menstruatiecup is een soort cup of barrière die tijdens de menstruatie in de vagina wordt gedragen om menstruatievocht op te vangen. Menstruatiecups worden vaak van siliconen gemaakt voor duurzaamheid en herbruikbaarheid.

Hoortoestellen

Siliconen is een veelgebruikt materiaal in mallen voor achter-het-oor-stijl hoortoestellen. Het heeft uitstekende verzegelende eigenschappen, makend tot het een ideale keus voor patiënten met diepe hoorverliezen die high-powered hoorapparaten nodig hebben.

Dry cleaning

Liquid silicone kan als chemisch reinigingsoplosmiddel worden gebruikt. Aangeprezen als een “milieuvriendelijk” alternatief voor het traditionele perchloorethyleen (of perc) oplosmiddel, is het decamethylpentacyclosiloxaan (D5) proces gepatenteerd door het bedrijf GreenEarth Cleaning. Het oplosmiddel wordt afgebroken tot zand en sporen van water en CO2, en het afval dat vrijkomt bij het D5 chemisch reinigingsproces is niet giftig en ongevaarlijk. Dit vermindert aanzienlijk de milieu-impact van een typisch sterk vervuilende industrie.

Daarnaast is vloeibaar silicone chemisch inert, wat betekent dat het niet reageert met stoffen of kleurstoffen tijdens het reinigingsproces. Dit vermindert de hoeveelheid vervagen en krimpen dat de meeste chemisch gereinigde kledingstukken ervaren.

Zie ook

• Borstimplantaat
• Tandvlies
• Droogreiniging
• Firestop
• Nucleaire Reactor
• Parment
• Sealant
• Silicon

Noten

• Bondurant, Stuart, Virginia L. Ernster, and Roger Herdman, (eds.). 2000. Veiligheid van siliconenborstimplantaten. Washington, DC: Institute of Medicine. ISBN 0585215553.

• Clarson, Stephen J., e.a., (eds.). 2007. Science and Technology of Silicones and Silicone-Modified Materials. ACS Symposium Series, 964. Washington, DC: American Chemical Society. ISBN 9780841274372.

• Koerner, G. 1991. Siliconen: 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. Siliconen lekken: Breast Implants on Trial (Borstimplantaten op proef). Westport, CT: Praeger. ISBN 0275963594.

Alle links opgehaald op 4 november 2019.

• Brandbare ‘Firestops’ gebruikt in CANDU-reactoren. – Persbericht van de verklaringen van U.S. Representative Ed Markey.
• Potential Problems with Silicone Foam Fire Barrier Penetration Seals. – U.S. Nuclear Regulatory Commission.
• Silicones Europe. – Centre Européen des Silicones (CES).
• De grondbeginselen van siliciumchemie. – Dow Corning.