Silikon

Förväxlas inte med grundämnet kisel.

Silikonkavel kan användas som ett grundläggande tätningsmedel mot vatten- och luftinträngning.

Självnivellerande silikonbrandsäkringssystem som används runt kopparrör som tränger in i en två timmars brandklassad golvkonstruktion av betong.

Silikoner (mer exakt kallade polymeriserade siloxaner eller polysiloxaner) är blandade oorganiska-organiska polymerer. Deras allmänna kemiska formel kan skrivas som n, där R motsvarar en organisk grupp som metyl, etyl eller fenyl. Genom att variera deras sammansättning och molekylstrukturer kan silikoner med olika egenskaper framställas. De kan variera i konsistens från vätska till gel till gummi till hårdplast. Den vanligaste siloxanen är polydimetylsiloxan (PDMS), en silikonolja. Den näst största gruppen silikonmaterial är baserad på silikonhartser.

Olika typer av silikoner har utvecklats för en mängd olika tillämpningar. De används till exempel som tätningsmedel, formar, smörjmedel, lösningsmedel för kemtvätt, elektriska isolatorer och skyddsmaterial för elektroniska komponenter. De finns också i vissa brandskyddsmedel, produkter för personlig vård och hörapparater. Deras användning i bröstimplantat och kärnreaktorbyggnader har dock väckt kontroverser.

Kemisk struktur och terminologi

Kemisk struktur för polydimetylsiloxan (PDMS).

Silikon kallas ofta felaktigt för ”kisel”. Även om silikoner innehåller kiselatomer består de inte enbart av kisel, och de har helt andra fysiska egenskaper än elementärt kisel.

Ordet ”silikon” härstammar från keton. Dimetylsilikon och dimetylketon (aceton) har analoga kemiska formler och därför antogs (felaktigt) att de har analoga strukturer. När det gäller en acetonmolekyl (eller någon annan ketonmolekyl) finns det en dubbelbindning mellan en kolatom och en syreatom. En silikonmolekyl innehåller däremot ingen dubbelbindning mellan en kiselatom och en syreatom. Kemister har funnit att kiselatomen bildar en enkelbindning med var och en av två syreatomer, snarare än en dubbelbindning till en enda atom.

Polysiloxaner kallas ”silikoner” på grund av tidiga felaktiga antaganden om deras struktur. De består av en oorganisk kisel-oxygen-ryggrad (…-Si-O-Si-O-Si-O-Si-O-…) med organiska sidogrupper knutna till kiselatomerna (se figuren som visar strukturen hos polydimetylsiloxan). I vissa fall kan organiska sidogrupper användas för att länka samman två eller flera av dessa -Si-O-ryggkärnor.

Genom att variera -Si-O- kedjelängden, sidogrupperna och tvärbindningen kan en mängd olika silikoner syntetiseras. Den vanligaste siloxanen är linjär polydimetylsiloxan (PDMS), en silikonolja (se strukturen i figuren). Den näst största gruppen silikonmaterial är baserad på silikonhartser, som bildas av grenade och burliknande oligosiloxaner.

Syntes

Silikoner syntetiseras från klorsilaner, tetraetoxysilan och relaterade föreningar. När det gäller PDMS är utgångsmaterialet dimetylklorsilan, som reagerar med vatten enligt följande:

n + n → n + n + 2n HCl

Under polymeriseringen utvecklar denna reaktion potentiellt farlig vätekloridgas. För medicinsk användning utvecklades en process där kloratomerna i silanprekursorn ersattes med acetatgrupper, så att reaktionsprodukten i den slutliga härdningsprocessen är giftfri ättiksyra (vinäger). Som en bieffekt är härdningsprocessen också mycket långsammare i detta fall. Detta är den kemi som används i många konsumenttillämpningar, t.ex. silikonfog och lim.

Silanprekursorer med fler syrabildande grupper och färre metylgrupper, t.ex. metyltriklorsilan, kan användas för att införa grenar eller tvärbindningar i polymerkedjan. I idealfallet blir varje molekyl av en sådan förening en förgreningspunkt. Detta kan användas för att framställa hårda silikonhartser. På samma sätt kan prekursorer med tre metylgrupper användas för att begränsa molekylvikten, eftersom varje sådan molekyl endast har en reaktiv plats och därmed utgör ändan av en siloxankedja.

Moderna silikonhartser tillverkas med tetraetoxysilan, som reagerar på ett mildare och mer kontrollerbart sätt än klorsilaner.

Egenskaper

Några av de mest användbara egenskaperna hos silikon är bland annat:

1. Termisk stabilitet (Konstans av egenskaperna över ett brett användningsområde från -100 till 250°C)
2. Förmågan att stöta bort vatten och bilda vattentäta tätningar
3. Utmärkt beständighet mot syre, ozon och solljus
4. Flexibilitet
5. Elektriskt isolerande eller ledande, beroende på struktur och sammansättning
6. Antihäftande
7. Låg kemisk reaktivitet
8. Låg toxicitet
9. Hög gasgenomsläpplighet

Silikongummi

En flexibel, gummigummiaktig polysiloxan är känd som silikongummi. Det kan extruderas till rör, remsor, fasta snören och anpassade profiler. Det erbjuder utmärkt motståndskraft mot extrema temperaturer och är mycket inert mot de flesta kemikalier. Organiskt gummi, med en kol-till-kol-ryggrad, är i allmänhet känsligt för ozon, UV-strålning, värme och andra åldringsfaktorer. Silikongummi däremot kan motstå effekterna av dessa ämnen, vilket gör det till det bästa materialet i många extrema miljöer. Med tanke på dess inerthet används det i många medicinska tillämpningar, inklusive medicinska implantat.

Många specialkvaliteter av silikongummi har dessa egenskaper: elektrisk ledningsförmåga, låg rökutveckling, flamfördröjning, glödande i mörker och motståndskraft mot ånga, gaser, oljor, syror och andra kemikalier.

Användningsområden för silikon

Material för gjutning av formar

Tvådelade silikonsystem används för att skapa gummiformar, som kan användas för produktionsgjutning av hartser, skum, gummi och lågvärmelageringar. En silikonform kräver i allmänhet lite eller ingen formsättning eller ytförberedelse, eftersom de flesta material inte fäster vid silikonet.

Tätningsmaterial

Ettkomponents silikontätningsmaterial är vanligt förekommande för att täta luckor, skarvar och sprickor i byggnader. Dessa silikoner härdar genom att absorbera atmosfärisk fukt. Silikongummis styrka och tillförlitlighet är allmänt erkänd inom byggnadsindustrin.

En utmärkt användning av silikongummi är för bilars soltakstätningar, som måste tåla hårda temperaturer och andra miljöförhållanden som ozon, UV-ljus och föroreningar, för att inte tala om vanliga bilrengöringsmedel, vaxer och så vidare.

Smörjmedel

Inom VVS- och fordonsbranschen används ofta silikonfett som smörjmedel. Inom VVS-området appliceras fettet vanligtvis på O-ringar i kranar och ventiler. På fordonsområdet används silikonfett vanligtvis som smörjmedel för bromskomponenter, eftersom det är stabilt vid höga temperaturer, är olösligt i vatten och har mycket mindre sannolikhet än andra smörjmedel att smutsa ner bromsklossar.

Kökstillämpningar

Silikon impregneras också i pergamentpapper och används som ett non-stick-material för tillämpningar som bakning och ångkokning. Silikonet gör också pappret värme- och fettbeständigt. Detta gör att pappret kan klä kakfat och fungera som en ersättning för smörjmedel, vilket påskyndar massproduktionen av bakverk. Det används också ofta i pouch cooking, där ingredienser förseglas i en behållare av pergamentpapper och får ånga.

Silikongummi används för att tillverka redskap (särskilt spatlar) och bakverk.

Silikonhartser används i värmebeständigt diskgods. Dessa liknar ofta keramiska föremål men är mycket mindre spröda, vilket gör dem populära för användning med spädbarn.

Elektriska och elektroniska komponenter

Tändstiftstrådar för bilar är ofta isolerade av flera lager silikon. Dessutom skyddas elektroniska komponenter ibland från miljöpåverkan genom att omsluta dem med silikon. Detta ökar deras stabilitet mot mekaniska stötar, strålning och vibrationer. Silikoner väljs framför polyuretan- eller epoxyinkapsling när ett brett arbetstemperaturområde krävs (-150 till 600°F). Silikoner har också fördelen av liten värmeökning i härdningsprocessen, låg toxicitet, goda elektriska egenskaper och hög renhet. Därför används de när hållbarhet och hög prestanda krävs av komponenter under krävande förhållanden, t.ex. för satelliter i rymden.

Silikonbröstimplantat

På 1980- och 1990-talen utvecklades en kontrovers kring påståenden om att silikongelen i bröstimplantat var ansvarig för ett antal systemiska hälsoproblem, inklusive autoimmuna sjukdomar och cancer. Flera stämningar med påståenden om skador från implantat resulterade i att Dow Corning 1998 gick i konkurs och att det infördes ett moratorium för användning av silikonimplantat för bröstförstoring i USA och Kanada i avvaktan på studier. Flera studier och expertpaneler som genomförts världen över sedan dess har dock konsekvent kommit fram till att kvinnor med silikonbröstimplantat inte löper större risk att utveckla systemiska sjukdomar än kvinnor utan bröstimplantat. År 2006 intog både Health Canada och den amerikanska livsmedels- och läkemedelsmyndigheten (FDA) liknande ståndpunkter som andra länder genom att tillåta användningen av silikonimplantat för kosmetisk bröstförstoring i sina respektive länder.

Brandskydd

Felaktig installation av brandskydd av silikonskum från Sakno i reningsverket i Calgary på 1980-talet, som användes för att täta öppningen ovanför en branddörr i en brandseparation av gjuten betong.

När de installeras på rätt sätt kan brandskydd av silikonskum tillverkas så att de uppfyller byggnadsreglerna. Fördelarna är bland annat flexibilitet och hög dielektrisk styrka. Nackdelar är bland annat dålig avgränsning, brännbarhet (svårt att släcka) och betydande rökutveckling.

Silikonskum har använts i nordamerikanska såväl som i de israeliska Dimona-kärnreaktorbyggnaderna för att försöka brandstoppa öppningar i brandklassade vägg- och golvsammansättningar, för att förhindra att flammor och rök sprids från ett rum till ett annat. Israelerna övergick till den något dyrare men mycket säkrare ”elastomer”-versionen av denna produkt, som undviker de flesta säkerhetsproblem som är förknippade med den skummade versionen.

Brandskydd av silikonskum har varit föremål för allvarliga kontroverser och uppmärksamhet i pressen på grund av bristande avgränsning, rökutveckling (vid förbränning av vissa komponenter i skummet), utsläpp av vätgas, krympning och sprickbildning. Dessa problem avslöjades av Gerald W. Brown, vilket ledde till ett stort antal rapporteringsskyldiga händelser bland licensinnehavare (operatörer av kärnkraftverk) hos Nuclear Regulatory Commission (NRC).

Personvårdsprodukter

Silikoner används som ingredienser i vissa leave-in hårbalsamprodukter. Dessa formuleringar utnyttjar silikonets vattenbeständighet för att förhindra att fukt tränger in i ett torrt hårstrå och förstör frisyren.

Menstruationskoppar

En menstruationskopp är en typ av kopp eller barriär som bärs inuti slidan under menstruationen för att samla upp menstruationsvätska. Menstruationskoppar är ofta tillverkade av silikon för att vara hållbara och återanvändbara.

Hörapparater

Silikon är ett vanligt material som används i gjutformar för hörapparater av typen bakom-örat. Det har utmärkta tätningsegenskaper, vilket gör det till ett idealiskt val för patienter med djup hörselnedsättning som behöver högeffektiva hörapparater.

Torkrengöring

Vätskande silikon kan användas som lösningsmedel för kemtvätt. Dekametylpentacyklosiloxan (D5), som presenteras som ett ”miljövänligt” alternativ till det traditionella lösningsmedlet perkloretylen (eller perc), har patenterats av företaget GreenEarth Cleaning. Lösningsmedlet bryts ner till sand och spår av vatten och koldioxid, och det avfall som produceras från D5-processen för kemtvätt är giftfritt och ofarligt. Detta minskar avsevärt miljöpåverkan från en typiskt sett mycket förorenande industri.

Flytande silikon är dessutom kemiskt inert, vilket innebär att det inte reagerar med tyger eller färgämnen under rengöringsprocessen. Detta minskar den mängd blekning och krympning som de flesta kemtvättade plagg upplever.

Se även

• Bröstimplantat
• Tanddamm
• Torgrengöring
• Fyrestop
• Nukleärreaktor
• Parkering

.

• Tätningsmedel
• Silikon

Anmärkningar

• Bondurant, Stuart, Virginia L. Ernster och Roger Herdman (red.). 2000. Safety of Silicone Breast Implants. Washington, DC: Institute of Medicine. ISBN 0585215553.

• Clarson, Stephen J., et al., (eds.). 2007. Vetenskap och teknik för silikoner och silikonmodifierade material. ACS Symposium Series, 964. Washington, DC: American Chemical Society. ISBN 9780841274372.

• Koerner, G. 1991. Silikoner: 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.

Alla länkar hämtade 4 november 2019.

• Brandfarliga ’Firestops’ används i CANDU-reaktorer. – Pressmeddelande från 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).
• Grunderna i kiselkemi. – Dow Corning.