Silikon

Silikon (tudi polisiloksan) je polimer siloksana (−R₂Si−O−SiR₂−, kjer R predstavlja organsko stransko skupino). Silikonski materiali (silikoni) se pojavljajo v obliki brezbarvnih olj ali gumi podobnih snovi ter kot masti in smole. Najpogosteje se uporabljajo v vlogi tesnil, materialov za lepljenje, maziv, medicinskih in kuhinjskih pripomočkov ter toplotnih in električnih izolatorjev.<ref name=Ullmann/><ref>Template:Cite book</ref>

Kemija

Stock in Somieski sta med preučevanjem reakcije hidrolize diklorosilana ugotovila, da se pri reakciji tvori monomer siloksana H₂SiO:

SiH₂Cl₂ + H₂O -> H₂SiO + 2 HCl.

Hidrolizo lahko izvajamo tako, da raztopini diklorosilana v benzenu dodajamo vodo. V tem primeru je večinski produkt polimer s približno formulo [H₂SiO]₆, verjetno pa se pri daljšem času izvajanja reakcije tvorijo tudi daljši polimeri.<ref name="Seyferth">Seyferth, D., Prud'Homme, C., Wiseman, G., Cyclic Polysiloxanes from the Hydrolysis of Dichlorosilane, Inorganic Chemistry, 22, 2163-2167</ref>

Osnova vseh polisiloksanov je veriga, v kateri se izmenjujeta silicijev in kisikov atom (…–Si–O–Si–O–Si–O–…) in je včasih sklenjena v krog. Na vsakega izmed silicijevih atomov sta vezani dve stranski skupini, ki sta največkrat organska substituenta – primer takšnih polimerov sta [(CH₃)₂SiO]_n in [(C₆H₅)₂SiO)]_n. Med proizvodnjo silikonov lahko s spreminjanjem dolžine polimerov, stranskih skupin in stopnje zamreženosti sintetiziramo snovi z izjemno raznolikimi lastnostmi, o d tekočin in gelov do mehke gume in trdnih materialov s plastičnimi lastnostmi. Najosnovnejši polisiloksan je linearni polidimetilsiloksan (PDMS), ki je pri sobnih pogojih v tekočem agregatnem stanju. Zelo velika skupina silikonskih materialov so silikonske smole, ki so sestavljene iz zamreženih polimerov, katerih struktura spominja na kletko.

Terminologija in zgodovina

Beseda silikon (angl. silicone), ki jo je leta 1901 vpeljal Frederic Stanley Kipping, je nastala kot krajše ime za polidifenilsiloksan ([Ph₂SiO]_n). Pri tem se je zgledoval po ketonu benzofenonu (Ph₂CO), katerega je poimenoval silikoketon (angl. silicoketone). Kljub takšni analogiji pa je Kipping s preučevanjem lastnosti obeh spojin pokazal, da je benzofenon monomerna molekula, polidifenilsiloksan pa polimer, kar pomeni, da silikon ni popolnoma ustrezno poimenovanje.<ref>Template:Greenwood&Earnshaw2nd</ref><ref>Template:Cite journal</ref> Ker je bilo dokazano, da je strukturno polidifenilsiloksan bistveno drugačen od benzofenona, bi bilo glede na kemijsko nomenklaturo namesto silikon bolj ustrezno uporabljati poimenovanje siloksan, vendar se ta sprememba nikoli ni uveljavila, zato je izraz silikon v uporabi še danes.<ref name="CincinnatiUniversity2005">Template:Cite book</ref>

Ameriški kemik in izumitelj James Franklin Hyde (rojen 11. marca 1903) je znan pod imenom “Oče silikonov”, saj je v tridesetih letih prejšnjega stoletja ključno prispeval k začetku industrije silikonov. Njegovi najpomembnejši odkritji sta sinteza silikonov iz silicijevih spojin ter razvoj metode za pripravo taljenega silicijevega dioksida (angl. fused silica), kremenovega stekla, ki ga danes med drugim uporabljamo na področjih aeronavtike, telekomunikacij in proizvodnje računalniških čipov. Kot rezultat njegovega dela sta se podjetji Dow Chemical Company in Corning Glass Works povezali v zvezo Dow Corning, katere namen je bil proizvodnja izdelkov iz silikona.

Občasno prihaja do zamenjave izrazov silikon (angl. silicone) in silicij (angl. silicon), čeprav gre za dve kemijsko popolnoma različni snovi. Silicij je kemijski element, in sicer trda temnosiva polkovina. Kristali silicija izkazujejo polprevodniške lastnosti, zaradi česar so ključnega pomena za izdelavo čipov in sončnih celic. V primeru silikona pa gre za molekulske snovi, ki jih večinoma gradijo atomi silicija, kisika, ogljika in vodika, in imajo zaradi različnih molekulskih struktur tudi izjemno raznolike fizikalne in kemijske lastnosti.

Še ena skupina silicijevih spojin, ki bi jih lahko označili za silikone, so silanoni, za katere je značilno, da v svoji molekulski strukturi vsebujejo vsaj eno dvojno kovalentno vez, ki povezuje silicijev in kisikov atom. Silanoni so bili že dolgo znani kot intermediati v kemijskih reakcijah, ki potekajo med plini, na primer v procesu kemičnega naparjevanja (angl. chemical vapour deposition, CVD), ki je korak v proizvodnji mikroelektronskih elementov, in žganja keramike.<ref>Template:Cite journal</ref> Lastnost silanonov je spontana in hitra reakcija (polimerizacija) do siloksanov. Prvi, ki je leta 2014 sintetiziral stabilen silanon, je bil Alexander C. Filippou s sodelavci.<ref name=filippou>Alexander C. Filippou, Bernhard Baars, Yury N. Lebedev, and Gregor Schnakenburg (2014): "Silicon–Oxygen Double Bonds: A Stable Silanone with a Trigonal‐Planar Coordinated Silicon Center". Angewandte Chemie International Edition, volume 53, issue 2, pages 565–570. Template:Doi.</ref>

Sinteza

Najpogosteje so silikoni sintetizirani iz polidimetilsiloksana, ki nastane kot produkt reakcije hidrolize dimetildiklorosilana:

n Si(CH₃)₂Cl₂ + n H₂O → [Si(CH₃)₂O]_n + 2n HCl

Z reakcijo polimerizacije navadno nastanejo verižni polimeri, ki se zaključijo tako, da je na terminalni atom silicija vezan klorov atom (Si–Cl) ali hidroksilna skupina (Si–OH - funkcionalna skupina Si–OH se imenuje tudi silanolna skupina). Če sintezo izvajamo pod drugačnimi reakcijskimi pogoji, lahko kot produkt dobimo tudi ciklične polimere, pri katerih se osnovna veriga silicijevih in kisikovih atomov sklene v krog.<ref name=Ullmann/>

Za množično proizvodnjo potrošniških izdelkov so namesto silil kloridov izhodne spojine pogosto silil acetati. Razlog za takšno izbiro reaktantov je, da kot stranski produkt namesto klorovodikove kisline dobimo manj nevarno ocetno kislino, ki jo med drugim najdemo v kisu. Takšna sinteza poteka počasneje, uporablja pa se za proizvodnjo izdelkov, kot so silikonska tesnila in lepila:

n Si(CH₃)₂(CH₃COO)₂ + n H₂O → [Si(CH₃)₂O]_n + 2n CH₃COOH

Če želimo kot produkte dobiti razvejane in zamrežene silikone, moramo kot prekurzorje uporabiti organosilicijeve spojine z manjšim številom alkilnih skupin, kot sta na primer metiltriklorosilan in metiltrimetoksisilan, ki pri idealnem poteku reakcije ustvarijo nova razvejišča na osnovni verigi silikona. Na takšen način potekajo sinteze trših silikonskih smol. Če pa je cilj sinteze proizvodnja silikonov z omejeno molekulsko maso, moramo pri reakciji uporabiti reaktante, ki imajo na treh mestih vezano nereaktivno skupino, kakršna je na primer metilna skupina, tako da lahko silicij tekom reakcije tvori zgolj eno novo kemijsko vez.

Gorenje

Pri gorenju silikonov v prisotnosti zraka ali kisika se v obliki belega prahu sprošča trden silicijev dioksid (SiO₂) v amorfni obliki (angl. silica fume). Piroliza nekaterih polisiloksanov v inertni atmosferi je začetek sintezne poti, po kateri proizvajamo amorfno oksikarbidno keramiko (angl. silicon oxycarbide ceramics, tudi polymer derived ceramics (PDCs)). Polisiloksani z vinilno, tiolno ali akrilatno funkcionalno skupino na koncu verige pa reagirajo do zamreženih polimerov (prekurzorji za tvorbo keramičnih spojin (PDC-jev); angl. preceramic polymers), iz katerih s postopkom fotopolimerizacije dobimo materiale, ki se uporabljajo za 3D-tiskanje s pomočjo stereolitografskih tehnik.<ref>Additive manufacturing of ceramics from preceramic polymers: A versatile stereolithographic approach assisted by thiol-ene click chemistry. Additive Manufacturing, (2019) volume 27, pp. 80–90.</ref>

Lastnosti

Silikoni so posebej praktični zaradi sledečih uporabnih lastnosti:

• nizka toplotna prevodnost
• nizka reaktivnost
• nizka toksičnost
• dobra toplotna stabilnost (njihove lastnosti ostajajo približno konstantne v zelo širokem temperaturnem območju Template:Nowrap)
• vodoodpornost
• ne prilepijo se na veliko substratov, na določene (npr. steklo) pa se pritrdijo zelo dobro
• ne omogočajo razvoja mikroorganizmov mikroorganizmov
• se ne zgubajo in niso podvrženi prepogibanju (ne nastanejo črte na mestu prepogiba)
• odpornost na kisik, ozon in ultravijolično (UV) svetlobo (ta lastnost se veliko izkorišča v gradbeni (premazi, protipožarne zaščite, tesnila za stekla) in avtomobilski industriji (zunanja tesnila in dodatna zunanja oprema)
• električne izolatorske lastnosti – silikoni so lahko modificirani bodisi kot električni izolatorji, bodisi kot električni prevodniki, kar ima zelo široko uporabnost v elektroinštalaterstvu
• visoka prepustnost za pline: pri sobni temperaturi (25 °C) guma iz silikona prepusti približno 400-krat več plinov (npr. kisika) kot butilna guma, kar je predvsem uporabno v medicini, kjer je zaželena večja zračnost; posledično silikonska guma ni uporabna takrat, ko je potrebna plinotesnost (npr. tesnila za pline pod visokim tlakom ali visokim vakuumom)

Silikon se da pretvoriti tudi v tanke gumijaste plasti, kjer se mu spremenijo določene lastnosti, npr. postane »skladen z FDA« (je varen v direktnem kontaktu s hrano in je v skladu z vsemi predpisi FDA (ameriška uprava za hrano in zdravila)). Ta lastnost pa razširi uporabo silikonskih plasti na področjih, ki zahtevajo visoke higienske standarde (npr. farmacevtska in živilska industrija).

Področja uporabe

Silikoni se uporabljajo na mnogih različnih področjih. Knjiga Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry navaja sledeča glavna področja uporabe:

• elektrika (npr. izolacija)
• elektronika (npr. premazi)
• gospodinjstvo (npr. tesnila in kuhinjski pripomočki)
• avtomobilska industrija (npr. tesnila)
• letalska industrija (npr. tesnila)
• pisarniški material (npr. tipke za tipkovnice)
• medicina in dentalna medicina (npr. kalupi za zobni odtis)
• tekstilna in papirna industrija (npr. premazi)

V nadaljevanju so razložena zgoraj navedena glavna področja uporabe.

Avtomobilska industrija

Na področju avtomobilske industrije so silikonske masti pogosto uporabljene kot maziva za zavorne komponente, pri čemer se izkorišča njihovo visoko temperaturno obstojnost in nevodotopnost, zaradi česar so v prednosti pred ostalimi mazivi. Na primer, DOT 5 zavorne tekočine so osnovane na tekočih silikonih.

Vžigalne žičke v avtomobilih so prav tako izolirane z več plastmi silikona za preprečitev tvorbe isker in morebitnih težav pri vžigu. Prav tako so silikonske cevke včasih uporabljene v avtomobilskih sistemih za dovod zraka v motor, predvsem pri prisilno polnjenih motorjih (ang. forced induction).

Silikonske plasti so uporabne med drugim za proizvodnjo tesnil za motorje in menjalnike v avtomobilih. Poleg tega se silikonski materiali, kot so npr. silikonske gume, pogosto uporabljajo za premaze in tesnila v avtomobilskih zračnih blazinah. Namreč zaradi velike trdnosti oz. moči silikonske gume je le-ta idealno lepilo in tesnilo za zračne blazine. V kombinaciji s termoplastikami (plastični polimeri, ki postanejo mehkejši in prožnejši pri višjih temperaturah in se spet strdijo ob hlajenju) silikoni omogočajo izboljšano odpornost proti praskam in sončni svetlobi ter znižajo koeficient trenja.

Letalska industrija

Silikon se široko uporablja tudi v letalski industriji ravno zaradi svojih tesnilnih lastnosti, temperaturne stabilnosti v zelo širokem temperaturnem območju, trpežnosti, obstojnosti, blaženja vibracij in intenzitete zvoka ter protipožarnih lastnosti. Ohranjanje te izjemne funkcionalnosti je ključnega pomena za varnost potnikov v letalu, zato mora biti vsaka izmed komponent letala izdelana iz izjemno kvalitetnih materialov.

Plasti silikona, proizvedene specifično za potrebe letalske industrije, so namreč stabilne v območju med Template:Nowrap, in so zato uporabne pri izdelavi tesnil za letalska okna in vrata. Tekom leta je namreč letalo podvrženo izrednim temperaturnim nihanjem v zelo kratkem času, vse od temperatur pod lediščem na največji višini leta, do običajnih (sobnih) in še višjih temperatur (v vročih predelih sveta) ob pristanku. Silikonska guma je namreč oblikovana z zelo majhno toleranco raztezanja, kar omogoča zrakotesnost tako na tleh na letališčih, kot tudi v zraku, kjer je zračni tlak bistveno nižji.

Silikonska guma pa je odporna tudi proti toplotni koroziji, zaradi česar se še posebej izkorišča za tesnila v letalskih motorjih. Ravno zaradi omenjene lastnosti je silikonska guma za to področje uporabe precej boljša izbira od ostalih vrst gum, saj se hkrati izboljša varnost letala in znižajo stroški vzdrževanja. Silikon se uporablja tudi za tesnjenje nadzornih plošč in ostalih električnih komponent v pilotski kabini, saj ščiti tiskana vezja pred nevarnostmi zaradi ekstremne višine, kot sta vlažnost in zelo nizke temperature. Prav tako pa se lahko uporablja kot zaščita oz. prevleka za žice in električne komponente pred prahom in ledom, ki morebiti lahko zaideta v notranja delovna območja letala.

Ker potovanja z letali povzročajo precej hrupa in vibracij, mora industrija zavoljo varnosti in udobja potnikov ter varnega delovanja letala zagotoviti kompromis med udobnimi pristanki in dovolj močnimi, a ne preglasnimi motorji, ki vseeno omogočajo doseganje dovolj visokih hitrosti. Zaradi izredne zvočne izolacije, sposobnosti zmanjšanja hrupa in preprečevanja vibracij, se silikonsko gumo pogosto modificira v majhne gumijaste komponente različnih oblik. Te se ravno prilegajo v majhne prostore med pomembnimi deli letala, s čimer se zagotovi, da je vsa ključna oprema (npr. omarice za ročno prtljago, prezračevalni kanali, okna in vrata, LED svetila in zasloni) dobro zatesnjena in zaščitena pred neželenimi vibracijami.

Protipožarna zaščita

Silikonska pena je v uporabi v severnoameriških stavbah z namenom preprečitve širjenja ognja in dima iz ene sobe v drugo skozi odprtine v ognjevarnih stenskih in talnih sklopih. Če je pravilno nameščena, je požarno zaščito iz silikonske pene mogoče izdelati povsem v skladu z gradbenimi predpisi. Prednosti silikonskih pen sta fleksibilnost in visoka dielektrična trdnost, pomanjkljivosti pa vnetljivost (oteženo gašenje) in pospešena tvorba dima.

Protipožarne zaščite iz silikonske pene so bile predmet polemike in deležne precejšnje medijske pozornosti zaradi nastajanja dima pri sežigu gorljivih komponent v peni, izhajanja vodika, krčenja in nastajanja razpok. Zaradi teh težav in z njimi povezanih dogodkov so bili pogosto obveščeni tudi upravljalci jedrskih elektrarn kot licencirani člani Komisije za jedrsko regulativo (NRC).

Silikonske požarne zaščite pa se uporabljajo tudi v letalih.

Nakit

Silikon je pri izdelovanju nakita, zlasti prstanov, priljubljena alternativa tradicionalnim kovinam, kot sta srebro in zlato. Silikonske prstane pogosto nosijo delavci v poklicih, kjer lahko kovinski prstani povzročijo poškodbe zaradi električne prevodnosti.<ref></ref><ref></ref> Od sredine prejšnjega desetletja so nekateri profesionalni športniki med tekmami začeli nositi silikonske prstane kot alternativo pravim.<ref></ref>

Maziva

Silikonske masti se uporabljajo za številne namene, kot so kolesarske verige, deli airsoft pušk in širok nabor drugih mehanizmov. Običajno se suho mazivo nanese z nosilnim topilom, ki prodre v mehanizem, topilo pa nato izhlapi in pusti čist nanos maziva. Prednost takega maziva je, da ne privlači toliko umazanije in peska kot oljno ali drugo, tradicionalno "mokro" mazivo.

Osebni silikonski lubrikanti se prav tako uporabljajo pri medicinskih postopkih in spolni aktivnosti.

Medicina in estetska kirurgija

Silikon se uporablja v mikrofluidiki, tesnilih, pokrovih in za ostale namene, ki zahtevajo visoko biokompatibilnost. Poleg tega se oblika gela uporablja v povojih in oblogah, prsnih vsadkih, vsadkih v modih, kontaktnih lečah in za številne druge medicinske namene.

Obliži so pogosto narejeni iz medicinskega silikona ravno zaradi njegove vzdržljivosti in biokompatibilnosti. V ta namen se pogosto uporablja polidimetilsiloksan (PDMS), saj je zaradi specifičnega zamreženja prožen in mehak, z visoko vzdržljivostjo in dobro lepljivostjo. Uporablja se ga tudi kot hidrofobni blok amfifilnih sintetičnih blok kopolimerov za tvorbo membrane veziklov polimersomov.

Nezakonito oziroma nestrokovno injiciranje kozmetičnega silikona lahko povzroči kronično širjenje le-tega po krvi ter mnoge dermatološke zaplete.<ref>Template:Cite journal</ref>

Oftalmologija tudi uporablja številne sorodne izdelke, kot so silikonsko olje (za zamenjavo očesne steklovine po vitrektomiji), silikonske znotrajočesne leče (po ekstrakciji sive mrene), silikonske cevke (za ohranjanje odprtega nazolakrimalnega prehoda po dakriocistorinostomiji), kanalikularni stent (žilna oporica za kanalikularno stenozo), vstavki za zapiranje solzovoda (za zdravljenje suhih oči), silikonska guma in trakovi (kot zunanja tamponada pri trakcijskem odstopu mrežnice in regmatogenem odstopu mrežnice).

Adicijski in kondenzacijski (npr. polivinil siloksan) silikoni imajo široko uporabo kot material za zobne odtise zaradi svojih hidrofobnih lastnosti in toplotne stabilnosti.<ref></ref><ref>Template:Cite book</ref><ref>Template:Cite book</ref>

Izdelava kalupov

Dvokomponentni silikonski sistemi se uporabljajo kot gumijasti kalupi za vlivanje smol, pen, gume in nizkotemperaturnih zlitin. Silikonski kalup na splošno zahteva malo ali nič priprave površine za lažje odstranjevanje, saj se večina materialov ne sprijema nanje. Za eksperimentalno uporabo se lahko navaden enokomponenten silikon uporabi za izdelavo kalupov ali oblikovanje v oblike. Po potrebi se lahko kot sredstvo za lažje odstranjevanje kalupa na spojnih površinah uporabi običajna rastlinska olja za kuhanje ali vazelin.<ref>Robyn Lish. What are the benefits of Silicone Caulk Moulds. Myheap.com. Retrieved on 2021-08-08.</ref>

Silikonskih modelov za peko, ki se uporabljajo kot pekači, ni potrebno premazati z jedilnim oljem, poleg tega pa fleksibilnost gume omogoča enostavno odstranitev hrane iz kalupa po končanem kuhanju.

Osebna nega

Silikoni so sestavine, ki se pogosto uporabljajo v izdelkih za nego kože, barvno kozmetiko in nego las. Nekateri silikoni, predvsem z amini funkcionalizirani amodimetikoni, so odlični balzami za lase, saj zagotavljajo občutek mehkobe in zmanjšujejo koprenasti videz las. Fenil dimetikoni iz druge družine silikonov se uporabljajo v izdelkih za lase, ki povečujejo odsev in popravljajo barvo, saj povečajo sijaj (in morda dajejo rahle spremembe barve). Feniltrimetikoni imajo za razliko od negovalnih amodimetikonov podobne lomne količnike (običajno 1,46) kot človeški lasje (1,54). V kolikor pa sta oba prisotna v istem izdelku, potem amodimetikon in feniltrimetikon medsebojno interagirata in se pomešata, kar otežuje hkratno doseganje visokega sijaja in odlične nege v istem izdelku.<ref>Thomas Clausen et al. "Hair Preparations" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2007, Wiley-VCH, Weinheim. Template:Doi</ref>

Silikonska guma se zaradi čistoče, estetskega videza in nizke vsebnosti snovi, ki se lahko iz nje izloči, običajno uporablja v cucljih za otroške stekleničke.

Silikoni se prav tako uporabljajo v izdelkih za britje in osebnih lubrikantih.<ref>Q. Ashton Acton: Silicones—Advances in Research and Application: 2013 Edition, ScholarlyEditions, 2013, Template:ISBN, p. 226 Template:Webarchive.</ref>