Silikon

Nie należy mylić z pierwiastkiem krzemu.

Kauczuk silikonowy może być stosowany jako podstawowy uszczelniacz przed przenikaniem wody i powietrza.

Samopoziomujący silikonowy system ogniochronny stosowany wokół rur miedzianych przenikających przez dwugodzinny betonowy zespół podłogowy o odporności ogniowej.

Silikony (dokładniej nazywane polimeryzowanymi siloksanami lub polisiloksanami) są mieszanymi polimerami nieorganiczno-organicznymi. Ich ogólny wzór chemiczny może być zapisany jako n, gdzie R odpowiada grupie organicznej, takiej jak metyl, etyl, lub fenyl. Zmieniając ich skład i strukturę molekularną, można uzyskać silikony o różnych właściwościach. Mogą one mieć różną konsystencję, od cieczy do żelu, od gumy do twardego plastiku. Najbardziej rozpowszechnionym siloksanem jest polidimetylosiloksan (PDMS), olej silikonowy. Druga co do wielkości grupa materiałów silikonowych oparta jest na żywicach silikonowych.

Różne rodzaje silikonów zostały opracowane do różnych zastosowań. Na przykład, są one używane jako uszczelniacze, formy, smary, rozpuszczalniki do czyszczenia na sucho, izolatory elektryczne i materiały ochronne dla komponentów elektronicznych. Można je również znaleźć w niektórych środkach przeciwpożarowych, produktach higieny osobistej i aparatach słuchowych. Jednak ich zastosowania w implantach piersi i budynkach reaktorów jądrowych wzbudziły kontrowersje.

Struktura chemiczna i terminologia

Struktura chemiczna polidimetylosiloksanu (PDMS).

Silikon jest często błędnie określany jako „krzem”. Chociaż silikony zawierają atomy krzemu, nie są zbudowane wyłącznie z krzemu i mają zupełnie inne właściwości fizyczne niż krzem pierwiastkowy.

Słowo „silikon” pochodzi od ketonu. Dimetylosilikon i keton dimetylowy (aceton) mają analogiczne wzory chemiczne, dlatego przypuszczano (błędnie), że mają analogiczne struktury. W przypadku cząsteczki acetonu (lub jakiegokolwiek ketonu), pomiędzy atomem węgla a atomem tlenu znajduje się wiązanie podwójne. Z drugiej strony, cząsteczka silikonu nie zawiera podwójnego wiązania pomiędzy atomem krzemu a atomem tlenu. Chemicy odkryli, że atom krzemu tworzy pojedyncze wiązanie z każdym z dwóch atomów tlenu, a nie podwójne wiązanie z jednym atomem.

Polisiloksany są nazywane „silikonami” z powodu wczesnych błędnych założeń dotyczących ich struktury. Składają się one z nieorganicznego szkieletu krzemowo-tlenowego (…-Si-O-Si-O-Si-O-…) z organicznymi grupami bocznymi dołączonymi do atomów krzemu (patrz rysunek przedstawiający strukturę polidimetylosiloksanu). W niektórych przypadkach, organiczne grupy boczne mogą być używane do łączenia dwóch lub więcej takich -Si-O- szkieletów razem.

Poprzez zmianę długości łańcucha -Si-O-, grup bocznych i sieciowania, można zsyntetyzować różnorodne silikony. Najbardziej rozpowszechnionym siloksanem jest liniowy polidimetylosiloksan (PDMS), olej silikonowy (patrz struktura przedstawiona na rysunku). Druga co do wielkości grupa materiałów silikonowych jest oparta na żywicach silikonowych, które są tworzone przez rozgałęzione i klatkowe oligosiloksany.

Synteza

Silikony są syntetyzowane z chlorosilanów, tetraetoksysilanu i związków pokrewnych. W przypadku PDMS materiałem wyjściowym jest dimetylochlorosilan, który reaguje z wodą w następujący sposób:

n + n → n + 2n HCl

Podczas polimeryzacji w wyniku tej reakcji wydziela się potencjalnie niebezpieczny gaz – chlorowodór. Do zastosowań medycznych opracowano proces, w którym atomy chloru w prekursorze silanowym zastąpiono grupami octanowymi, tak że produktem reakcji w końcowym procesie utwardzania jest nietoksyczny kwas octowy (ocet). Jako efekt uboczny, proces utwardzania jest w tym przypadku znacznie wolniejszy. Jest to chemia stosowana w wielu zastosowaniach konsumenckich, takich jak silikonowe uszczelniacze i kleje.

Prekursory silanowe z większą ilością grup kwasotwórczych i mniejszą ilością grup metylowych, takie jak metylotrichlorosilan, mogą być stosowane do wprowadzania rozgałęzień lub wiązań krzyżowych w łańcuchu polimeru. Idealnie, każda cząsteczka takiego związku staje się punktem rozgałęzienia. Może to być wykorzystane do produkcji twardych żywic silikonowych. Podobnie, prekursory z trzema grupami metylowymi mogą być użyte do ograniczenia masy cząsteczkowej, ponieważ każda taka cząsteczka ma tylko jedno miejsce reaktywne i tak tworzy koniec łańcucha siloksanowego.

Nowoczesne żywice silikonowe są wytwarzane z tetraetoksysilanem, który reaguje w łagodniejszy i bardziej kontrolowany sposób niż chlorosilany.

Właściwości

Niektóre z najbardziej użytecznych właściwości silikonu obejmują:

1. Stabilność termiczną (Stałość właściwości w szerokim zakresie pracy od -100 do 250°C)
2. Zdolność odpychania wody i tworzenia wodoszczelnych uszczelnień
3. Doskonała odporność na tlen, ozon i światło słoneczne
4. Giętkość
5. Izolacyjność lub przewodnictwo elektr, w zależności od struktury i składu
6. Anty-klejenie
7. Niska reaktywność chemiczna
8. Niska toksyczność
9. Wysoka przepuszczalność gazów

Kauczuk silikonowy

Elastyczny, gumowaty polisiloksan jest znany jako kauczuk silikonowy. Może być wytłaczany w rury, paski, lity sznur i niestandardowe profile. Oferuje on doskonałą odporność na ekstremalne temperatury i jest wysoce obojętny wobec większości chemikaliów. Kauczuk organiczny, z kręgosłupem typu węgiel-węgiel, jest generalnie podatny na ozon, promieniowanie UV, ciepło i inne czynniki starzeniowe. Natomiast guma silikonowa może wytrzymać działanie tych czynników, co czyni ją materiałem z wyboru w wielu ekstremalnych środowiskach. Biorąc pod uwagę jego obojętność, jest on używany w wielu zastosowaniach medycznych, w tym w implantach medycznych.

Wiele specjalistycznych gatunków kauczuku silikonowego ma następujące właściwości: przewodnictwo elektryczne, niska emisja dymu, opóźnianie płomienia, świecenie w ciemności oraz odporność na parę, gazy, oleje, kwasy i inne chemikalia.

Użycia silikonu

Materiał do produkcji form

Dwuczęściowe systemy silikonowe są używane do tworzenia form gumowych, które mogą być używane do produkcyjnego odlewania żywic, pianek, gumy i stopów niskotemperaturowych. Forma silikonowa generalnie wymaga niewielkiego lub żadnego odblokowania formy lub przygotowania powierzchni, ponieważ większość materiałów nie przylega do silikonu.

Uszczelniacze

Jednoczęściowe uszczelniacze silikonowe są w powszechnym użyciu do uszczelniania szczelin, złączy i szczelin w budynkach. Te silikony utwardzają się poprzez wchłanianie wilgoci atmosferycznej. Wytrzymałość i niezawodność gumy silikonowej jest powszechnie uznawana w przemyśle budowlanym.

Doskonałym zastosowaniem gumy silikonowej są samochodowe uszczelki szyberdachu, które muszą znosić surowe temperatury i inne warunki środowiskowe, takie jak ozon, promieniowanie UV i zanieczyszczenia, nie wspominając o powszechnych samochodowych środkach czyszczących, woskach i tak dalej.

Smar

W branży hydraulicznej i motoryzacyjnej smar silikonowy jest często używany jako smar. W hydraulice, smar jest zwykle stosowany do O-ringów w kranach i zaworach. W dziedzinie motoryzacji, smar silikonowy jest zwykle używany jako smar do komponentów hamulcowych, ponieważ jest stabilny w wysokich temperaturach, nierozpuszczalny w wodzie i znacznie mniej prawdopodobne jest, że niż inne smary spowoduje zanieczyszczenie klocków hamulcowych.

Zastosowania kulinarne

Silikon jest również impregnowany w papierze pergaminowym i używany jako materiał nieprzywierający w zastosowaniach takich jak pieczenie i gotowanie na parze. Silikon sprawia również, że papier jest odporny na ciepło i tłuszcz. Dzięki temu papier może służyć do wykładania blach do ciasteczek i zastępować smarowanie, co przyspiesza masową produkcję wypieków. Jest on również powszechnie używany w gotowaniu w woreczkach, gdzie składniki są zamknięte w pojemniku wykonanym z papieru pergaminowego i dopuszczone do gotowania na parze.

Guma silikonowa jest używana do wyrobu przyborów kuchennych (zwłaszcza szpatułek) i naczyń do pieczenia.

Żywice silikonowe są używane w naczyniach żaroodpornych. Często przypominają one przedmioty ceramiczne, ale są znacznie mniej kruche, co czyni je popularnymi do stosowania u niemowląt.

Komponenty elektryczne i elektroniczne

Przewody świec zapłonowych w pojazdach są często izolowane wieloma warstwami silikonu. Ponadto, komponenty elektroniczne są czasami chronione przed wpływami środowiska poprzez zamknięcie ich w silikonie. Zwiększa to ich stabilność na wstrząsy mechaniczne, promieniowanie i wibracje. Silikony są wybierane zamiast enkapsulacji poliuretanowej lub epoksydowej, gdy wymagany jest szeroki zakres temperatury pracy (-150 do 600°F). Zaletą silikonów jest również niewielki wzrost ciepła w procesie utwardzania, niska toksyczność, dobre właściwości elektryczne i wysoka czystość. Dlatego są stosowane, gdy wymagana jest trwałość i wysoka wydajność komponentów w wymagających warunkach, takich jak w przypadku satelitów w przestrzeni kosmicznej.

Silikonowe implanty piersi

W latach 80. i 90. ubiegłego wieku pojawiły się kontrowersje wokół twierdzeń, że żel silikonowy w implantach piersi był odpowiedzialny za szereg ogólnoustrojowych problemów zdrowotnych, w tym choroby autoimmunologiczne i nowotwory. Liczne pozwy, w których twierdzono, że implanty spowodowały obrażenia ciała, doprowadziły w 1998 r. do bankructwa Dow Corning i moratorium na stosowanie implantów silikonowych do powiększania piersi w USA i Kanadzie w oczekiwaniu na wyniki badań. Jednakże liczne badania i panele ekspertów przeprowadzone od tego czasu na całym świecie konsekwentnie stwierdzają, że kobiety z silikonowymi implantami piersi nie są bardziej narażone na choroby ogólnoustrojowe niż kobiety bez implantów piersi. W 2006 r. zarówno Health Canada, jak i U.S. Food and Drug Administration (FDA) przyjęły stanowiska podobne do innych krajów, zezwalając na stosowanie implantów silikonowych do kosmetycznego powiększania piersi w swoich krajach.

Uszczelnienia przeciwpożarowe

Wadliwa instalacja uszczelnienia przeciwpożarowego z pianki silikonowej Sakno w oczyszczalni ścieków w Calgary w latach 80-tych, używana do uszczelnienia otworu nad drzwiami przeciwpożarowymi w odlewanej betonowej przegrodzie przeciwpożarowej.

Przy prawidłowej instalacji, uszczelnienia przeciwpożarowe z pianki silikonowej mogą być wykonane zgodnie z przepisami budowlanymi. Zalety obejmują elastyczność i wysoką wytrzymałość dielektryczną. Wady obejmują słabe wiązanie, palność (trudną do ugaszenia) i znaczny rozwój dymu.

Pianki silikonowe były stosowane w Ameryce Północnej, jak również w izraelskich budynkach reaktora jądrowego Dimona, próbując zatrzymać otwory w ognioodpornych zespołach ścian i podłóg, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się płomieni i dymu z jednego pomieszczenia do drugiego. Izraelczycy przeszli na nieco droższą, lecz znacznie bezpieczniejszą wersję „elastomerową” tego produktu, która pozwala uniknąć większości obaw związanych z bezpieczeństwem wersji spienionej.

Pianki silikonowe były przedmiotem poważnych kontrowersji i uwagi prasy z powodu braku właściwego wiązania, rozwoju dymu (podczas spalania niektórych składników pianki), ucieczki wodoru, kurczenia się i pękania. Problemy te zostały ujawnione przez Geralda W. Browna, prowadząc do dużej liczby zgłaszanych zdarzeń wśród licencjobiorców (operatorów elektrowni jądrowych) Komisji Nadzoru Jądrowego (NRC).

Produkty higieny osobistej

Silikony są stosowane jako składniki w niektórych produktach do pielęgnacji włosów bez spłukiwania. Preparaty te wykorzystują wodoodporność silikonu, aby zapobiec przedostawaniu się wilgoci do suchego trzonu włosa i rujnowaniu stylu.

Kubeczki menstruacyjne

Kubeczek menstruacyjny to rodzaj kubeczka lub bariery noszonej wewnątrz pochwy podczas menstruacji w celu zebrania płynu menstruacyjnego. Kubeczki menstruacyjne są często wykonane z silikonu dla trwałości i możliwości ponownego użycia.

Akcesoria słuchowe

Silikon jest częstym materiałem używanym w formach do aparatów słuchowych typu zausznego. Ma doskonałe właściwości uszczelniające, co czyni go idealnym wyborem dla pacjentów z głębokimi ubytkami słuchu, potrzebujących aparatów słuchowych o dużej mocy.

Czyszczenie na sucho

Płynny silikon może być używany jako rozpuszczalnik do czyszczenia na sucho. Okrzyknięty jako „przyjazna dla środowiska” alternatywa dla tradycyjnego rozpuszczalnika perchloroetylenowego (lub perc), proces decamethylpentacyclosiloxane (D5) został opatentowany przez firmę GreenEarth Cleaning. Rozpuszczalnik rozkłada się na piasek i śladowe ilości wody i CO2, a odpady powstające w procesie czyszczenia chemicznego D5 są nietoksyczne i nie stanowią zagrożenia. Znacząco zmniejsza to wpływ na środowisko naturalne branży, która zwykle emituje duże ilości zanieczyszczeń.

Dodatkowo, płynny silikon jest chemicznie obojętny, co oznacza, że nie wchodzi w reakcję z tkaninami lub barwnikami podczas procesu czyszczenia. Zmniejsza to ilość blaknięcia i kurczenia się, których doświadcza większość ubrań czyszczonych na sucho.

Zobacz także

• Implant piersi
• Tama dentystyczna
• Czyszczenie na sucho
• Ochrona przeciwpożarowa
• Reaktor jądrowy
• Parchment

.

• Sealant
• Krzem

Notatki

• Bondurant, Stuart, Virginia L. Ernster, and Roger Herdman, (eds.). 2000. Safety of Silicone Breast Implants. Waszyngton, DC: Instytut Medycyny. ISBN 0585215553.

• Clarson, Stephen J., et al., (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. Silicones: 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. Silicone Spills: Breast Implants on Trial. Westport, CT: Praeger. ISBN 0275963594.

All links retrieved November 4, 2019.

• Flammable 'Firestops’ Used in CANDU Reactors. – Press release of U.S. Representative Ed Markey’s Statements.
• Potential Problems with Silicone Foam Fire Barrier Penetration Seals. – U.S. Nuclear Regulatory Commission.
• Silicones Europe. – Centre Européen des Silicones (CES).
• Podstawy chemii krzemu. – Dow Corning.