Более точно называемые полимеризованными силоксанами или полисилоксанами, силиконы состоят из неорганической кремний–кислородной основной цепи (⋯−Si−O−Si−O−Si−O−⋯) с двумя органическими группами, присоединенными к каждому атому кремния. Обычно органическими группами являются метил. Материалы могут быть циклическими или полимерными. Варьируя длины цепи −Si−O−, боковые группы и степень сшивки, силиконы могут быть синтезированы с широким разнообразием свойств и составов. Не следует путать с химическим элементом кремний.
Общая формула для силиконов — (R2SiO)x, где R может быть любой из разнообразных органических групп. Силиконы — это высокоэффективные полимеры, которые могут принимать различные физические формы, варьирующиеся от твердых до жидкостей с вязкостью воды и полувязких паст. Некоторые распространенные формы включают силиконовые жидкости, силиконовые смазки, силиконовый каучук, силиконовые смолы и силиконовый герметик.
Процесс производства
Возможно, вы слышали, что его делают из песка. Это технически верно: Силикон изготавливается из кремнезема, основного компонента песка. Кремнезем также известен как диоксид кремния, который содержит элементы кремния и кислорода.
На самом деле, силиконовый каучук не является «естественным» производным песка. Это химический процесс, что означает, что эти продукты технически не могут быть «органическими». Силиконы производятся реакцией кремния — одного из наиболее распространенных элементов на Земле — с метилхлоридом и последующей реакцией с водой, которая удаляет атом хлора.
Силиконы, по сути, являются органически модифицированным кварцем. Кремниевый кварц состоит из атомов кремния и кислорода. Силиконы производятся из чистого кремния, полученного восстановлением диоксида кремния (кремнезема) в виде песка с углеродом при высоких температурах:
Кремний всегда находится в химически и термически стабильных минеральных соединениях, но никогда в чистом виде. Кремний является ключом ко всей химии силиконов, так как его атомная структура определяет свойства силиконов. Среди них, производство силиконов из кремния происходит в три этапа, соответственно: (1) синтез хлорсиланов (2) гидролиз хлорсиланов (3) поликонденсация.
Характеристики
Благодаря своей молекулярной структуре, силиконы могут быть получены в различных формах, включая твердые вещества, жидкости, полувязкие пасты, смазки, смолы, каучуки и флюиды (масла). Семейство силиконов включает силоксаны и силаны, все из которых широко используются в тысячах продуктов и обеспечивают существенные преимущества для ключевых сегментов нашей экономики.
Свойства
Исключительный диапазон химических и физических свойств силиконов делает их важными для достижения инноваций в ключевых секторах экономики. Благодаря гибкости и устойчивости к влаге, химикатам, теплу, холоду и ультрафиолетовому излучению, они также делают продукты более стабильными, простыми в использовании, доступными и долговечными.
Силиконы обладают многими полезными свойствами, в том числе:
- Низкая теплопроводность.
- Низкая химическая реактивность.
- Низкая токсичность.
- Термическая стабильность (постоянство свойств в широком диапазоне температур от −50 до 250 °C).
- Способность отталкивать воду и образовывать водонепроницаемые уплотнения.
- Не прилипает ко многим субстратам, но очень хорошо прилипает к другим, например, к стеклу.
- Не поддерживает микробиологический рост.
- Устойчивость к кислороду, озону и ультрафиолетовому (УФ) свету. Это свойство привело к широкому использованию силиконов в строительной отрасли (например, покрытия, противопожарная защита, уплотнения остекления) и автомобильной промышленности (внешние прокладки, внешняя отделка).
- Электроизоляционные свойства. Поскольку силикон может быть разработан для обеспечения электрической изоляции или проводимости, он подходит для широкого спектра электрических применений.
- Высокая газопроницаемость: при комнатной температуре (25 °C) проницаемость силиконового каучука для таких газов, как кислород, примерно в 400 раз выше, чем у бутилкаучука, что делает силикон полезным для медицинских применений, где требуется повышенная аэрация. И наоборот, силиконовые каучуки не могут использоваться там, где необходимы газонепроницаемые уплотнения, например, уплотнения для газов высокого давления или высокого вакуума.
Силикон может быть разработан в виде резинового листа, где он обладает другими свойствами, например, соответствует требованиям FDA. Это расширяет области применения силиконовых листов в отраслях, требующих гигиены, например, в пищевой промышленности, производстве напитков и фармацевтике.
Различия
Кремнезем: Когда люди говорят, что силиконы сделаны из песка, они не ошибаются, хотя это слишком упрощенное описание. Они имеют в виду кремнезем — или диоксид кремния. Кремнезем является сырьем для производства силиконовых смол. Пляжный песок — это практически чистый кремнезем, как и кварц.
Кремний: Это основной элемент, составляющий кремнезем, но кремний обычно не встречается в природе в этой элементарной форме. Его получают путем нагревания кремнезема при очень высоких температурах с углеродом в промышленных печах.
Силикон (силоксан): Затем кремний реагирует с углеводородами, полученными из ископаемого топлива, для создания силоксановых мономеров (чередующиеся атомы кремния + кислорода), которые связываются вместе в полимеры, образуя основу окончательной силиконовой смолы. Качество этих силиконов может сильно варьироваться в зависимости от степени очистки. Например, силиконы, используемые для изготовления компьютерных чипов, проходят высокую степень очистки.
Преимущества и использование
Силиконы придают ряд преимуществ продуктам, в которых они используются, включая повышенную гибкость и устойчивость к влаге, теплу, холоду и ультрафиолетовому излучению. Силиконы обладают уникальными свойствами среди полимеров благодаря одновременному присутствию органических групп, присоединенных к цепи неорганических атомов. Они являются одними из наиболее важных и адаптируемых сырьевых материалов в мире, используемых буквально в тысячах продуктов и применений — от здравоохранения, аэрокосмической отрасли и личной гигиены до электроники, транспорта, строительства и энергетики.
Средства личной гигиены: Силиконы, используемые в средствах личной гигиены, уменьшают белый налет и липкость антиперспирантов в дезодорантах. Они также «долговечны» и помогают сохранять цвет и блеск, связанные с косметикой, шампунями и кондиционерами, а также придают лучший блеск и позволяют производить средства по уходу за кожей с более высоким SPF. Увлажняющие и распределяющие свойства обеспечивают гладкое и равномерное нанесение косметики, лосьонов, солнцезащитных средств и очищающих средств.
Энергетика: Силикон повышает эффективность, долговечность и производительность солнечных панелей и фотоэлектрических устройств, делая их более экономически выгодными. Поскольку они могут выдерживать воздействие солнца в течение многих лет, силиконы являются идеальными материалами для солнечных панелей и фотоэлектрических приложений.
Здравоохранение: Силиконы также используются в широком спектре медицинских и здравоохранительных применений. Они служат покрытиями для подкожных игл, обеспечивают высокую кислородную проницаемость в гидрогелевых контактных линзах, используются в трубках в широком спектре медицинских устройств, включая инсулиновые помпы, и особенно подходят для протезных устройств благодаря своим гипоаллергенным свойствам и широкому спектру полезных физических свойств, помогая миллионам людей в их повседневной жизни.
Электроника: Клавиатуры, клавишные панели и валики копировальных аппаратов изготавливаются из прочных, долговечных силиконов — как и многие компоненты компьютеров, мобильной электроники и домашнего развлекательного оборудования. Силиконы также играют важную роль в обеспечении светодиодных технологий. Высокая термическая стабильность и отличные диэлектрические свойства силиконов позволяют использовать их в различных приложениях для передачи электроэнергии.
Авиация: Поскольку силиконы могут выдерживать экстремальные нагрузки и температуры, силиконовые клеи и герметики используются для герметизации и защиты дверей, окон, крыльев, топливных баков, гидравлических переключателей, верхних отсеков, кромок крыльев, электрических устройств шасси, вентиляционных каналов, уплотнений двигателя, электрических проводов и черных ящиков.
Строительство и архитектура: Силиконы играют ключевую роль в строительстве и реконструкции коммерческих и жилых зданий — от возможности создания небоскребов со стеклянными стенами до обеспечения энергоэффективной архитектуры. Дома силиконовые герметики и шпатлевки используются для снижения потребления энергии и предотвращения повреждений от влаги и скопления бактерий.
Кухонная утварь: Гибкая, антипригарная поверхность силиконовой посуды для выпечки и приготовления пищи легко чистится и не придает пище вкуса или запаха. Формы для кексов, формы для маффинов и коврики для выпечки можно перемещать из морозильной камеры в духовку, микроволновую печь или посудомоечную машину, не влияя на вкус или качество пищи.
Краски и покрытия: Новые краски с добавлением силикона сохраняют гибкость внешних покрытий домов, мостов и железнодорожных вагонов, чтобы они выдерживали циклы замерзания и оттаивания без растрескивания. Силиконовые покрытия на поверхностях шоссе, нефтяных платформ и дорог менее подвержены коррозии из-за воздействия масел, бензина, солевого тумана и кислотных дождей.
Спортивные товары и одежда: Силиконы герметизируют очки и маски для дайвинга, предотвращая попадание воды. Силиконы позволяют использовать новые технологии для создания легкой, прочной, водоотталкивающей и высокоэффективной спортивной одежды, сохраняя при этом «дышащие» свойства ткани.
Наиболее широко используемые силиконы — это те, у которых по основной цепи расположены метильные группы. Свойства, такие как растворимость в органических растворителях, водоотталкивающая способность и гибкость, могут быть изменены путем замены метильных групп другими органическими группами. Например, силиконы с фенильными группами являются более гибкими полимерами, чем силиконы с метильными группами. Они также являются лучшими смазочными материалами и превосходными растворителями для органических соединений.
Безопасность и экологические соображения
Силиконовые соединения широко распространены в окружающей среде. Определенные силиконовые соединения, циклические силоксаны D4 и D5, являются загрязнителями воздуха и воды и оказывают негативное воздействие на здоровье подопытных животных. Они используются в различных средствах личной гигиены. Европейское химическое агентство установило, что «D4 является стойким, биоаккумулятивным и токсичным (PBT) веществом, а D5 — очень стойким, очень биоаккумулятивным (vPvB) веществом». Другие силиконы легко биоразлагаются, этот процесс ускоряется различными катализаторами, включая глины. Было показано, что при биоразложении у млекопитающих циклические силиконы приводят к образованию силанолов. Образующиеся силанодиолы и силанотриолы способны ингибировать гидролитические ферменты, такие как термолизин, ацетилхолинэстераза, однако дозы, необходимые для ингибирования, на порядки выше, чем те, которые возникают в результате накопленного воздействия потребительских продуктов, содержащих циклометикон.
При температуре около 200 °C в кислородсодержащей атмосфере полидиметилсилоксан (ПДМС) выделяет следы формальдегида (но меньше, чем другие распространенные материалы, такие как полиэтилен). При 200 °C установлено, что силиконы выделяют меньше формальдегида, чем минеральное масло и пластики (менее 3–48 мкг CH2O/(г·ч) для высококонсистентного силиконового каучука по сравнению с примерно 400 мкг CH2O/(г·ч) для пластиков и минерального масла). При 250 °C для всех силиконов было обнаружено обильное выделение формальдегида (1200–4600 мкг CH2O/(г·ч)).