Silikonska guma

Silikonska guma je elastomer (gumi podoben material) sestavljen iz silikona, polimera, ki poleg silicija vsebuje še ogljik, kisik in vodik. Silikonske gume se pogosto uporabljajo v industriji, poznanih pa je veliko formulacij. Silikonske gume so pogosto eno ali dvokomponentni polimeri in lahko vsebujejo polnila za izboljšanje njenih lastnosti ali za zmanjšanje stroškov proizvodnje. Silikonska guma je navadno nereaktivna, stabilna in odporna izrednim okoliškim razmeram in še vedno ohranja svojo elastičnost med temperaturami od -55 do 300 °C. Zaradi teh lastnosti in preproste proizvodnje in oblikovanja, silikonsko gumo lahko najdemo v različnih izdelkih, kot na primer: izolatorjih na daljnovodih, izdelkih za avtomobilsko industrijo, izdelkih za kuho, peko in shranjevanje hrane, spodnjem perilu, športnih oblačilih in čevljih, elektroniki, medicinskih napravah in vsadkih ter v raznih gospodinjskih pripomočkih kot na primer silikonskem tesnilu.

Utrjevanje

V neutrjenem stanju je silikonska guma gel ali tekočina z visoko oprijemljivostjo. Da bi jo pretvorili v trdno snov, jo je treba utrditi, vulkanizirati ali katalizirati. To se običajno izvede v dvostopenjskem procesu pri izdelavi v želeno obliko in nato v podaljšanem postopku naknadnega utrjevanja. Lahko je tudi vbrizgana ali 3D natisnjena. Silikonsko gumo se lahko utrdi s sistemom utrjevanja, ki ga katalizira platina, sistemom utrjevanja s kondenzacijo, peroksidom ali oksimom. Pri sistemu utrjevanja, kjer se katalizira s platino, se lahko proces utrjevanja pospeši z dodajanjem toplote ali pritiska.

Sistem utrjevanja s platino

V sistemu za utrjevanje silikona na osnovi platine, imenovanem tudi adicijski sistem (ker je ključna polimerna reakcija adicijska), reagirata hidrid- in vinil-funkcionalni siloksanski polimer v prisotnosti katalizatorja na osnovi platinskega kompleksa, pri čemer se med njima ustvari etilni most.<ref name=Mazurek>Mazurek, P.; Vudayagiri, S.; Skov, A. L. How to Tailor Flexible Silicone Elastomers with Mechanical Integrity : A Tutorial Review. Chem Soc. Rev. 2019, 48, 1448–1464. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/cs/c8cs00963e#!divAbstract</ref> Reakcija nima stranskih produktov. Takšne silikonske gume se hitro utrdijo, vendar se lahko hitrost ali celo sposobnost utrjevanja zlahka zavre v prisotnosti elementarnega kositra, žvepla in številnih aminskih spojin.<ref name=Roux>Roux, Marie Ange (2007). "Processing pharmaceutical polymers". Pharmaceutical Polymers 2007. Smithers Rapra. p. 28. ISBN 9781847350176.</ref>

Sistem za kondenzacijsko utrjevanje

Sistemi za kondenzacijsko utrjevanje so lahko enodelni ali dvodelni.<ref>Mittal, K. L and Pizzi, A. (Eds.), (2009), Handbook of Sealant Technology, CRC Press, p. 328-332. ISBN 9781420008630.</ref> V enodelnem sistemu ali sistemu RTV (vulkanizacija pri sobni temperaturi, angl. room-temperature vulcanizing) premreževalec, ki je izpostavljen vlagi okolja (tj. vodi), doživi stopnjo hidrolize, po čemer mu ostane hidroksilna ali silanolna skupina. Silanol se nadalje kondenzira z drugo hidrolizabilno skupino na polimeru ali premreževalcu in nadaljuje, dokler sistem ni popolnoma utrjen. Takšen sistem se bo pri sobni temperaturi utrdil sam in ga, za razliko od sistema za dodatno utrjevanje na osnovi platine, stik z drugimi kemikalijami ne bo zaviral zlahka, čeprav lahko na postopek vpliva stik z nekaterimi vrstami plastike ali kovin in morda sploh ne bo potekal v primeru, da pride v stik z že utrjenimi silikonskimi spojinami. Premreževalci, ki se uporabljajo v sistemih za kondenzacijsko utrjevanje, so običajno alkoksi, acetoksi, estrski, enoksi ali oksim silani, kot je trimetoksi(metil) silan za sisteme z alkoksi utrjevanjem in metil triacetoksisilan za sisteme z acetoksi utrjevanjem. V mnogih primerih se doda dodaten kondenzacijski katalizator, da se RTV sistem popolnoma utrdi in nastane nelepljiva površina. Organotitanatni katalizatorji, kot so tetraalkoksi titanati ali kelatirani titanati, se uporabljajo v alkoksi utrjevalnih sistemih. Kositrovi katalizatorji, kot je dibutilkositrov dilaurat (DBTDL), se lahko uporabljajo v oksimskih in acetoksi utrjevalnih sistemih. Acetoksi kositrska kondenzacija je eden najstarejših kemijskih načinov za utrjevanje, ki se uporablja za utrjevanje silikonske gume in se uporablja v gospodinjskih kopalniških tesnilih. Glede na vrsto ločene molekule je silikonske sisteme mogoče razvrstiti v kisle, nevtralne ali alkalne. <ref> Manfred Pröbster, Industrial Sealants - Fundamentals, selection and applications, Verlag Moderne Industrie 2004</ref> Dvodelni kondenzacijski sistem shranjuje premreževalec in kondenzacijski katalizator skupaj v enem delu, medtem ko so polimer in morebitna polnila ali pigmenti shranjeni v drugem delu. Mešanje obeh delov povzroči utrjevanje. Tipično polnilo je pirogeni silicijev dioksid, ki se uporablja za nadzor pretoka tesnila.<ref>https://www.wacker.com/h/medias/6415-EN.pdf, stran 12</ref> Ko so kondenzacijski sistemi popolnoma utrjeni, so učinkoviti kot tesnila v vodovodništvu in gradbeništvu ter kot kalupi za ulivanje poliuretanskih, epoksi in poliestrskih smol, voskov, sadre in kovin z nizko temperaturo taljenja, kot je svinec. Običajno so zelo prožne in imajo visoko pretržno trdnost. Ne zahtevajo uporabe ločilnega sredstva, saj se silikoni ne sprijemajo.

Sistem utrjevanja s peroksidom

Utrjevanje s peroksidom se pogosto uporablja za utrjevanje silikonske gume. Postopek utrjevanja ustvarja stranske produkte, ki so lahko problematični, če na primer pride do stika s hrano ali v medicinski uporabi. Vendar se te izdelke običajno obdela v pečici za naknadno utrjevanje, kar vsebnost produktov peroksidnega razkroja. Eden od dveh glavnih uporabljenih organskih peroksidov, dikumil peroksid (primerjaj s kumen hidroperoksidom), ima kot glavna produkta razgradnje acetofenon in fenil-2-propanol. Drugi je diklorobenzoil peroksid, katerega glavna produkta razgradnje sta diklorobenzojska kislina in diklorobenzen.<ref name=Forrest>M. J. Forrest, Food Contact Rubbers 2 - Products, Migration and Regulation, Rapra Review Reports, vol. 16, No. 2, Smithers Rapra Publishing, 2006 ISBN 1859575226</ref>

Zgodovina

Prvi silikonski elastomeri so bili razviti kot izboljšava izolacijskih materialov za elektromotorje in generatorje. S smolo impregnirana steklena vlakna so bila takrat najsodobnejši materiali. Steklo je bilo zelo odporno na vročino, vendar fenolne smole niso zdržale višjih temperatur, ki so bile prisotne v novih manjših elektromotorjih. Kemiki podjetij Corning Glass in General Electric so raziskovali toplotno odporne materiale za uporabo kot smolnata veziva, ko so sintetizirali prve silikonske polimere, dokazali, da dobro delujejo, in našli pot za njihovo komercialno proizvodnjo. Izraz "silikon" je pravzaprav napačen. Pripono -on uporabljajo kemiki za označevanje snovi z dvojno vezanim atomom kisika v ogrodju molekule. Ko so ga prvič odkrili, so za silikon zmotno verjeli, da ima na ta način povezane atome kisika. Tehnično pravilen izraz za različne silikonske gume je polisiloksani (polidimetilsiloksani so velika podskupina), kar se nanaša na nasičeno ogrodje Si-O.<ref name=Roux/> Corning Glass je skupaj z Dow Chemical leta 1943 ustanovil podjetje Dow Corning za proizvodnjo tega novega razreda materialov. Med podrobnejšim preučevanjem edinstvenih lastnosti novih silikonskih izdelkov, so začeli predvidevati njihov potencial za širšo uporabo in tako je leta 1947 GE odprl lastno tovarno za proizvodnjo silikonov. GE Silicones je bil leta 2006 prodan Momentive Performance Materials. Leta 1947 je v Evropi začelo proizvodnjo silikonov tudi podjetje Wacker Chemie. Leta 1953 pa je masovno proizvodnjo silikona začelo Japonsko podjetje Shin-Etsu Chemical.<ref>"About GE Silicones". siliconeforbuilding.com. Ogled 2020-06-23</ref>

Lastnosti

Silikonska guma nudi dobro odpornost proti ekstremnim temperaturam, saj lahko normalno deluje pri temperaturah od -100 do 300 °C .Silikonska guma ima nizko natezno trdnost ter slabe lastnosti obrabe in trganja.<ref>Seal & Design Inc. | SILICONE (VMQ) O-RINGS & SILICONE GASKETS</ref> Nekatere lastnosti, kot so raztezek, lezenje, ciklično upogibanje, trdnost pri trganju, tlačna trdnost, dielektrična trdnost (pri visoki napetosti), toplotna prevodnost, požarna odpornost in v nekaterih primerih natezna trdnost, so lahko - pri ekstremnih temperaturah - veliko boljše od organskih gum v večini primerov, kljub temu pa so nekatere od teh lastnosti še vedno slabše kot pri nekaterih posebnih materialih. Silikonska guma je v industriji najprimernejši material, kadar je zaželena ohranitev prvotne oblike in mehanska trdnost pri velikih toplotnih obremenitvah ali temperaturah pod ničlo. <ref>"Characteristic Properties of Silicone Rubber Compounds" by Shin-Etsu Co. http://www.silicone.jp/e/catalog/pdf/rubber_e.pdf</ref><ref>Overview of silicone rubber materials http://www.thefreelibrary.com/An+overview+of+silicone+rubber.-a0105557239</ref><ref>Silicone rubber properties http://www.timcorubber.com/rubber-materials/silicone.htm Arhivirano 2016-12-14 na Wayback Machine</ref>

Primerjava z organsko gumo

Organska guma ima ogljikovo ogrodje, zaradi česar je lahko občutljiva na ozon, UV žarke, toploto in druge dejavnike staranja, ki pa jih silikonska guma dobro prenaša. Zaradi tega je silikonska guma eden od elastomerov, ki se uporabljajo v številnih ekstremnih okoljih. Silikon je precej bolj prepusten za pline kot večina drugih gum, kar omejuje njegovo uporabo na nekaterih področjih. Silikonska guma je visoko inertna in ne reagira z večino kemikalij ter ne sodeluje v bioloških procesih, zaradi česar se lahko uporablja v številnih medicinskih aplikacijah, vključno z medicinskimi vsadki. Je biokompatibilna in hipoalergena, zato je primerna za izdelke za nego dojenčkov in na splošno za izdelke, ki so v stiku s hrano. Silikonska guma je zanesljiva rešitev (v nasprotju z gumo in termoplastičnimi elastomeri) za težave z migracijo ali interakcijo med glavnimi aktivnimi sestavinami. Njena kemijska stabilnost preprečuje, da bi vplivala na podlago, s katero pride v stik (koža, voda, kri, aktivne sestavine itd. ).<ref>"LSR Specific Properties".</ref>

Lastnosti silikonske gume

Lastnost	Vrednost
Videz
Trdota, Shore A	25-90
Natezna porušitvena napetost, mejna	1,400–10,300 kPa (200–1,500 psi)
Razetezek po zlomu v %	≥ 700%
Gostota	Glede na sestavo lahko od 0,95 do več kot 1,20 g/cm3

Proizvodnja

Za izdelavo silikona je treba izolirati atome silicija iz silicijevega dioksida. To dosežemo s segrevanjem velikih količin kremenčevega peska na izjemno visoke temperature, pogosto do 1800 °C. Od tu naprej obstaja več postopkov, pri katerih se silicij kombinira z metilkloridom in segreva. Nato se destilira v polimeriziran siloksan, znan kot polidimetilsiloksan, ki se lahko naprej polimerizira. Pri tem se uporabljajo različne tehnike, ki so odvisne od namena uporabe končnega izdelka. <ref>"News - What is Silicone Made of? | Viking Extrusions". www.vikingextrusions.co.uk. Arhivirano iz [1] 2019-08-13. Ogled 2019-08-13.</ref>Surova silikonska spojina se lahko združuje s katerimikoli dodatki, ki lahko vključujejo pigmente in katalizator. Silikonsko gumo nato injekcijsko vbrizgajo, ekstrudirajo ali 3D-tiskajo. Zadnja faza proizvodnega procesa je utrjevanje.

Struktura

Polisiloksani se od drugih polimerov razlikujejo po tem, da je njihovo ogrodje sestavljeno iz Si-O-Si enot, za razliko od mnogih drugih polimerov, ki vsebujejo ogljikovo ogrodje. Polisiloksan je zelo prožen zaradi velikih veznih kotov in dolžin vezi v primerjavi z bolj enostavnimi polimeri, kot je polietilen. Na primer, enota C-C ima dolžino vezi 1,54 Å in vezni kot 112°, medtem ko ima enota siloksana Si-O dolžino vezi 1,63 Å in vezni kot 130°.

Siloksansko ogrodje je bolj prožen polimer kot osnovno ogrodje ogljikove verige, saj so stranske skupine med seboj bolj oddaljene. Polimerni segmenti se lahko premikajo dlje in zlahka spreminjajo konformacijo, kar naredi material prožen. Polisiloksani so praviloma stabilnejši in kemično manj aktivni, ker je za prekinitev vezi med silicijem in kisikom potrebna večja energija. Čeprav je silicij sorodnik ogljika, saj ima enako konfiguracijo elektronske vezi, silicijevi analogi ogljikovih spojin praviloma kažejo drugačne lastnosti. Razlika v skupnem naboju in masi med ogljikom s 6 protoni in 6 nevtroni ter silicijem s 14 protoni in 14 nevtroni povzroči dodatno plast elektronov, katerih zasenčenje spreminja elektronegativnost med obema elementoma. Na primer vez med silicijem in kisikom v polisiloksanih je bistveno bolj stabilna kot vez med ogljikom in kisikom v polioksimetilenu, strukturno podobnem polimeru. Razlika je deloma posledica višje vezne energije, tj. energije, ki je potrebna za prekinitev vezi Si-O, pa tudi zato, ker polioksimetilen razgrajuje formaldehid, ki je hlapen, kar pogoni razgradnjo naprej, vendar pa so razgradni produkti silikona, ki vsebujejo silicij, manj hlapni.<ref> "Characteristic properties of Silicone Rubber Compounds-'" (PDF). Shin-Etsu Silicone. Japan: Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. August 2016.</ref>

Posebni razredi

Obstaja veliko posebnih razredov in oblik silikonske gume, med drugim: oblike odporne na paro, material, ki ga je mogoče zaznati kot kovino, oblike z visoko trdnostjo pri trganju, oblike za ekstremno visoke temperature, oblike za ekstremno nizke temperature, električno prevodnost, odpornost na kemikalije/olje/kisline/pline, nizko stopnjo dimljenja in odpornost proti ognju. V silikonski gumi se lahko uporabljajo različna polnila, čeprav večina ne ojača silikonske gume in zmanjšuje natezno trdnost. Silikonska guma je na voljo v različnih stopnjah trdote, izraženih kot Shore A ali IRHD med 10 in 100, pri čemer višja številka pomeni tršo zmes. Na voljo je tudi v praktično vseh barvah in jo je mogoče barvno uskladiti.

Mehanske lastnosti (Polymax 2005)
Trdota, Shore A	10-90
Natezna trdnost	11 N/mm2
Raztezek ob pretrganju	100-1000 %
Maksimalna temperatura	300 °C
Minimalna temperatura	-120 °C

Uporaba

Silikonska guma se uporablja v avtomobilski industriji, številnih izdelkih za kuhanje, peko in shranjevanje živil, oblačilih, vključno s spodnjim perilom, športnimi oblačili in obutvijo, v elektroniki, pri popravilih doma in strojni opremi ter na številnih drugih področjih. Običajno se obdeluje in oblikuje z naslednjimi metodami:

Ekstrudiranje

Ko je silikonska guma zmešana in obarvana, jo je mogoče ekstrudirati v obliki cevi, trakov, masivnih kablov ali profile po meri v skladu z velikostnimi specifikacijami proizvajalca. Iz kablov lahko izdelamo O-obročke, iz iztisnjenih profilov pa tesnila.

Vbrizgavanje

Silikonsko gumo je mogoče oblikovati v oblike po meri. Proizvajalci pri ekstrudiranju, rezanju ali spajanju profilov iz silikonske gume upoštevajo industrijske tolerance. V Združenem kraljestvu je to standard BS 3734, pri čemer je za ekstrudirane izdelke najožja stopnja E1, najširša pa E3.

3D tiskanje

Silikonsko gumo je mogoče 3D-tiskati (modeliranje s tekočim nanašanjem LDM) s sistemi za ekstrudiranje s črpalko in brizgalko. Žal so standardne formulacije silikona optimizirane za uporabo v strojih za ekstrudiranje in vbrizganje ter niso uporabne pri 3D tiskanju na osnovi LDM. Prilagoditi je treba reološko(deformacija pod vplivom mehanske strižne sile) obnašanje in življenjsko dobo shranjenega materiala. 3D-tiskanje zahteva tudi uporabo odstranljivega podpornega materiala, ki je združljiv s silikonsko gumo.<ref>Courtial, Edwin-Joffrey; Perrinet, Clément; Colly, Arthur; Mariot, David; Frances, Jean-Marc; Fulchiron, René; Marquette, Christophe (2019-08-01). "Silicone rheological behavior modification for 3D printing: Evaluation of yield stress impact on printed object properties". Additive Manufacturing. 28: 50–57. doi:10.1016/j.addma.2019.04.006. ISSN 2214-8604. S2CID 146407873.</ref>

Tekoča silikonska guma se proizvaja tudi za uporabo v naravoslovju (bati brizg, zapiralo za sistem za doziranje, tesnila za regulator IV pretoka, dihalne maske, komore za vsaditev za intravenozno aplikacijo), kozmetične izdelke (čopič za maskaro, embalaža za ličila, aplikator za ličila in kalupi za šminke) in optičnih izdelkov (krožne leče, kolimatorji, Fresnelove leče in leče proste oblike).<ref>"CVA SILICONE | Liquid Silicone Rubber LSR | Your Industry".</ref> Solarni paneli za ogrevanje vode, odporni proti zmrzovanju, izkoriščajo elastičnost silikona za večkratno prilagajanje širjenju vode ob zmrzovanju, medtem ko njegova ekstremna temperaturna toleranca ohranja majhno krhkost pod lediščem in odlično prenaša temperature nad 150 °C. Njegova lastnost, da nima ogljikovega ogrodja, ampak namesto tega kemično robustno silicijevo ogrodje, zmanjšuje njegov potencial kot vir hrane za nevarne vodne bakterije, kot je Legionella.

Nebarvan silikonski gumijasti trak z dodatkom železovega(III) oksida (zaradi česar je trak rdeče-oranžne barve) se zaradi svoje nevnetljive narave pogosto uporablja v letalstvu in vesoljski industriji kot povezovalni ali ovojni trak. Dodatek železovega oksida poveča toplotno prevodnost, vendar ne spremeni visoke električne izolacijske lastnosti silikonske gume. Ta vrsta samoamalgamskega traku se spoji ali zlije sam s seboj, tako da se, ko se raztegne in ovije okoli kablov, električnih spojk in cevi, ter jih poveže v močno brezhibno gumijasto električno izolativno in vodotesno plast, ki ni lepljiva. Silikonska guma kot električni izolator ima še to prednost, da ob poškodbi zaradi toplote ostane neprevodna, kar zmanjšuje verjetnost nastanka električnega obloka. Z dodatkom ogljika ali druge prevodne snovi kot polnila v prahu lahko silikonsko gumo naredimo električno prevodno, hkrati pa ohranimo večino njenih drugih mehanskih lastnosti. Kot taka se uporablja za gibljive kontakte, ki se zaprejo ob pritisku in se uporabljajo v številnih napravah, kot so računalniške tipkovnice in daljinski upravljalniki.

Samozdravljenje

Leta 2007 je silikonska guma tvorila matrico prvega avtonomnega samozdravilnega elastomera.<ref>Keller et al., A Self-Healing Poly(dimethyl siloxane) Elastomer, Advanced Functional Materials, v. 17, p. 2399–2404 (2007).</ref> Material na osnovi mikrokapsul je lahko obnovil skoraj vso prvotno pretržno trdnost. Poleg tega je imel ta material izboljšane lastnosti utrujenosti, kot je bilo ocenjeno s preizkusom torzijske utrujenosti.<ref>Keller et al., Torsion Fatigue Response of Self-Healing Poly(dimethyl siloxane) Elastomers, Polymer, v.49 p. 3136–3145 (2008).</ref>

Viri

<references/>