В кремнийорганической и полимерной химии силикон или полисилоксан представляет собой полимер , состоящий из повторяющихся звеньев силоксана ( -O -R 2 Si-O-SiR 2 - , где R = органическая группа ). Обычно это бесцветные масла или резиноподобные вещества. Силиконы используются в герметиках, клеях, смазочных материалах, медицине, кухонной утвари, теплоизоляции и электроизоляции. Некоторые распространенные формы включают силиконовое масло , смазку , резину , смолу и герметик . [1] [2]
Альфред Сток и Карл Сомиски исследовали гидролиз дихлорсилана , реакцию, которая, как предполагалось, первоначально давала мономер H 2 SiO :
Большинство полисилоксанов содержат органические заместители, например, [(CH 3 ) 2 SiO] n и [(C 6 H 5 ) 2 SiO)] n . Все полимеризованные силоксаны или полисилоксаны, силиконы состоят из неорганической кремний-кислородной основной цепи ( ···-Si-O-Si-O-Si-O-··· ) с двумя группами, прикрепленными к каждому кремниевому центру. Материалы могут быть циклическими или полимерными. Варьируя длину цепей −Si-O- , боковые группы и сшивку , можно синтезировать силиконы с широким спектром свойств и составов. Они могут различаться по консистенции: от жидкости до геля, от резины до твердого пластика. Наиболее распространенным силоксаном является линейный полидиметилсилоксан (ПДМС), силиконовое масло . [ нужна цитация ] Вторая по величине группа силиконовых материалов основана на силиконовых смолах , которые образованы разветвленными и клеточными олигосилоксанами. [ нужна цитата ]
Ф. С. Киппинг ввёл слово силикон в 1901 году для описания формулы полидифенилсилоксана Ph 2 SiO (Ph = фенил , C 6 H 5 ), по аналогии с формулой кетона бензофенона Ph 2 CO ( первоначально его термином был силикокетон ). Киппинг хорошо знал, что полидифенилсилоксан является полимером, тогда как бензофенон является мономером, и отметил противоположные свойства Ph 2 SiO и Ph 2 CO . [4] [5] Открытие структурных различий между молекулами Киппинга и кетонами означает, что силикон больше не является правильным термином (хотя он по-прежнему широко используется) и что термин силоксан является предпочтительным в соответствии с номенклатурой современной химии. [6]
Джеймс Франклин Хайд (родился 11 марта 1903 г.) был американским химиком и изобретателем. Его называли «отцом силиконов», и ему приписывают создание силиконовой промышленности в 1930-х годах. Его наиболее заметные достижения включают создание силикона из соединений кремния и метод изготовления плавленого кварца — высококачественного стекла, которое позже использовалось в аэронавтике, передовых телекоммуникациях и компьютерных чипах. Его работа привела к созданию компании Dow Corning — альянса между Dow Chemical Company и Corning Glass Works , который был специально создан для производства силиконовых изделий.
Силикон часто путают с кремнием , но это разные вещества. Кремний — химический элемент , твердый темно-серый полупроводниковый металлоид , который в кристаллической форме используется для изготовления интегральных схем («электронных чипов») и солнечных элементов . Силиконы — это соединения, которые содержат кремний, углерод, водород, кислород и, возможно, другие виды атомов и имеют множество самых разных физических и химических свойств.
Соединения, содержащие двойные связи кремний-кислород, теперь называемые силанонами , но которые могли бы заслужить название «силикон», уже давно идентифицированы как промежуточные соединения в газофазных процессах, таких как химическое осаждение из паровой фазы в производстве микроэлектроники и при формировании керамики путем сжигания. . [7] Однако они имеют сильную тенденцию к полимеризации в силоксаны. Первый стабильный силанон был получен в 2014 г. А. Филиппу и др. [8]
Наиболее распространены материалы на основе полидиметилсилоксана , получаемого гидролизом диметилдихлорсилана . Этот дихлорид реагирует с водой следующим образом:
В результате полимеризации обычно образуются линейные цепи, увенчанные группами Si-Cl или Si-OH ( силанол ). В разных условиях полимер является циклическим, а не цепным. [1]
В потребительских целях, таких как герметизация, вместо силилхлоридов используются силилацетаты. Гидролиз ацетатов приводит к образованию менее опасной уксусной кислоты (кислоты, содержащейся в уксусе ) как продукта реакции гораздо более медленного процесса отверждения. Этот химический состав используется во многих потребительских целях, таких как силиконовые герметики и клеи .
Разветвления или поперечные связи в полимерную цепь можно ввести с помощью кремнийорганических предшественников с меньшим количеством алкильных групп, таких как метилтрихлорсилан и метилтриметоксисилан . В идеале каждая молекула такого соединения становится точкой ветвления. Этот процесс можно использовать для производства твердых силиконовых смол. Аналогичным образом, для ограничения молекулярной массы можно использовать предшественники с тремя метильными группами, поскольку каждая такая молекула имеет только один реакционный центр и, таким образом, образует конец силоксановой цепи.
При сгорании силикона на воздухе или в кислороде образуется твердый кремнезем ( диоксид кремния , SiO 2 ) в виде белого порошка, угля и различных газов. Легко диспергируемый порошок иногда называют микрокремнеземом . Пиролиз некоторых полисилоксанов в инертной атмосфере является ценным путем к производству керамики из аморфного оксикарбида кремния , также известной как керамика на основе полимеров . Полисилоксаны, оканчивающиеся функциональными лигандами , такими как винильные , меркапто или акрилатные группы, были сшиты с получением прекерамических полимеров , которые можно фотополимеризовать для аддитивного производства керамики, полученной из полимеров, методами стереолитографии . [9]
Силиконы обладают множеством полезных характеристик, в том числе: [1]
Силикон можно переработать в резиновое полотно, где он будет обладать другими свойствами, например, соответствовать требованиям FDA. Это расширяет возможности использования силиконовых листов в отраслях, требующих соблюдения гигиены, например, в производстве продуктов питания и напитков, а также в фармацевтической промышленности.
Силиконы используются во многих продуктах. В «Энциклопедии промышленной химии» Ульмана перечислены следующие основные категории применения: электротехника (например, изоляция), электроника (например, покрытия), бытовая техника (например, герметики и кухонная утварь), автомобиль (например, прокладки), самолет (например, уплотнения), офис. машины (например, клавиатуры), медицина и стоматология (например, слепочные формы зубов ), текстиль и бумага (например, покрытия). Для этих целей в 1991 году было произведено около 400 000 тонн силиконов. [ необходимы разъяснения ] Конкретные примеры, как большие, так и малые, представлены ниже. [1]
В автомобильной отрасли силиконовая смазка обычно используется в качестве смазки для компонентов тормозов , поскольку она стабильна при высоких температурах, не растворяется в воде и имеет гораздо меньшую вероятность загрязнения, чем другие смазочные материалы. Тормозные жидкости DOT 5 созданы на основе жидких силиконов.
Провода автомобильных свечей зажигания изолированы несколькими слоями силикона, чтобы предотвратить попадание искр на соседние провода и возникновение пропусков зажигания. Силиконовые трубки иногда используются в автомобильных системах впуска (особенно в двигателях с наддувом ).
Листовой силикон используется для изготовления прокладок, используемых в автомобильных двигателях , трансмиссиях и других устройствах.
Заводы по производству автомобильных кузовов и покрасочные цеха избегают использования силикона, поскольку следы загрязнения могут вызвать «рыбий глаз» — небольшие круглые кратеры, портящие гладкую поверхность. [ нужна цитата ]
Кроме того, в качестве покрытий и герметиков для подушек безопасности используются силиконовые соединения, такие как силиконовый каучук ; Высокая прочность силиконовой резины делает ее оптимальным клеем и герметиком для ударопрочных подушек безопасности. [ нужна цитация ] Силиконы в сочетании с термопластами обеспечивают улучшение устойчивости к царапинам и потертостям, а также снижение коэффициента трения. [ нужна цитата ]
Силикон широко используется в аэрокосмической промышленности благодаря своим герметизирующим свойствам, стабильности в экстремальном температурном диапазоне, долговечности, звукопоглощающим и антивибрационным свойствам, а также естественным огнезащитным свойствам. Поддержание максимальной функциональности имеет первостепенное значение для безопасности пассажиров в аэрокосмической отрасли, поэтому для каждого компонента самолета требуются высококачественные материалы.
Специально разработанные марки силикона для аэрокосмической отрасли стабильны при температуре от −70 до 220 °C [11] и могут использоваться в конструкции прокладок для окон и дверей кабин. В процессе эксплуатации самолеты испытывают большие колебания температуры за относительно короткий период времени; от температуры окружающей среды на земле в жарких странах до минусовой температуры при полете на большой высоте. Силиконовую резину можно формовать с жесткими допусками, обеспечивая герметичное уплотнение прокладок как на земле, так и в воздухе, где атмосферное давление снижается.
Устойчивость силиконовой резины к тепловой коррозии позволяет использовать ее для прокладок в авиационных двигателях, где она превосходит другие типы резины, одновременно повышая безопасность самолетов и снижая затраты на техническое обслуживание. Силикон герметизирует приборные панели и другие электрические системы в кабине, защищая печатные платы от рисков экстремальной высоты, таких как влажность и чрезвычайно низкая температура. Силикон можно использовать в качестве оболочки для защиты проводов и электрических компонентов от пыли и льда, которые могут проникнуть во внутренние части самолета.
Поскольку характер авиаперелетов приводит к сильному шуму и вибрации, необходимо учитывать мощные двигатели, посадку и высокие скорости, чтобы обеспечить комфорт пассажиров и безопасную эксплуатацию самолета. Поскольку силиконовая резина обладает исключительными шумопоглощающими и антивибрационными свойствами, ее можно формовать в небольшие компоненты и устанавливать в небольшие зазоры, обеспечивая защиту всего оборудования от нежелательной вибрации, такого как верхние шкафчики, вентиляционные каналы, люки, уплотнения развлекательных систем и светодиоды. системы освещения.
Связующие на основе полидиметилсилоксана (ПДМС) вместе с перхлоратом аммония (NH 4 ClO 4 ) используются в качестве быстрогорючих твердых топлив в ракетах. [12]
Прочность и надежность силиконовой резины широко признаны в строительной отрасли. Однокомпонентные силиконовые герметики и герметики широко используются для герметизации щелей, швов и щелей в зданиях. Однокомпонентные силиконы затвердевают, поглощая атмосферную влагу, что упрощает установку. В сантехнике силиконовая смазка обычно наносится на уплотнительные кольца латунных кранов и клапанов, предотвращая прилипание извести к металлу.
Структурный силикон также используется в навесных фасадах зданий с 1974 года, когда Чикагский институт искусств стал первым зданием, в котором наружное стекло было закреплено только с помощью этого материала. [ нужна цитация ] Силиконовые мембраны использовались для покрытия и восстановления промышленных крыш благодаря их чрезвычайной устойчивости к ультрафиолетовому излучению и способности сохранять водонепроницаемость в течение десятилетий. [ нужна цитата ]
Силиконовую резину можно напечатать на 3D-принтере (моделирование осаждением жидкости LDM) с использованием экструзионных систем с насосом-соплом. К сожалению, стандартные составы силикона оптимизированы для использования в экструзионных и литьевых машинах и неприменимы для 3D-печати на основе LDM. Необходимо скорректировать реологическое поведение и жизнеспособность. [13]
3D-печать также требует использования съемного поддерживающего материала, совместимого с силиконовой резиной.
Силиконовые пленки можно наносить на такие подложки на основе диоксида кремния, как стекло, для образования ковалентно связанного гидрофобного покрытия. Такие покрытия были разработаны для использования на лобовых стеклах самолетов для отталкивания воды и сохранения видимости без необходимости использования механических дворников , которые непрактичны на сверхзвуковых скоростях. Подобные методы обработки в конечном итоге были адаптированы к автомобильному рынку в продуктах, продаваемых Rain-X и другими.
Многие ткани можно покрыть или пропитать силиконом для образования прочного водонепроницаемого композита, такого как силнейлон .
Силиконовый полимер можно суспендировать в воде с помощью стабилизирующих поверхностно-активных веществ. Это позволяет использовать составы на водной основе для доставки многих ингредиентов, которые в противном случае потребовали бы более сильного растворителя или были бы слишком вязкими для эффективного использования. Например, состав на водной основе, в котором используется реакционная способность силана и его способность проникать в поверхность на минеральной основе, можно объединить со свойствами силоксана образовывать капли воды для получения более полезного продукта для защиты поверхности.
Как малотоксичный и нетоксичный материал, силикон можно использовать там, где требуется контакт с пищевыми продуктами. Силикон становится важным продуктом в производстве посуды , особенно форм для выпечки и кухонной утвари . Силикон используется в качестве изолятора в термостойких прихватках и подобных предметах; однако он лучше проводит тепло, чем аналогичные продукты на основе менее плотных волокон. Силиконовые прихватки для духовки выдерживают температуру до 260 °C (500 °F), что позволяет использовать их в кипящей воде.
Другие продукты включают формы для шоколада, льда, печенья, кексов и различных других продуктов; формы для выпечки с антипригарным покрытием и коврики многоразового использования, используемые на противнях; пароварки , яйцеварки или браконьеры ; крышки для посуды, прихватки , подставки и кухонные коврики.
Силиконы используются в качестве активных соединений в пеногасителях из-за их низкой растворимости в воде и хороших свойств растекания.
Жидкий силикон можно использовать в качестве растворителя для химической чистки , являясь альтернативой традиционному хлорсодержащему растворителю на основе перхлорэтилена (ПХ) . Использование силикона в химической чистке снижает воздействие на окружающую среду, которое обычно оказывает промышленность с высоким уровнем загрязнения. [ нужна цитата ]
Электронные компоненты иногда заключаются в силикон для повышения устойчивости к механическим и электрическим ударам, радиации и вибрации (процесс, называемый «заливкой»). Силиконы используются там, где от компонентов требуются долговечность и высокая производительность в экстремальных условиях окружающей среды, например, в космосе (спутниковые технологии). Их выбирают вместо полиуретановой или эпоксидной герметизации, когда требуется широкий диапазон рабочих температур (от -65 до 315 °C). Силиконы также обладают преимуществом небольшого экзотермического нагрева во время отверждения, низкой токсичности, хороших электрических свойств и высокой чистоты.
Силиконы часто являются компонентами термопаст , используемых для улучшения теплопередачи от электрорассеивающих электронных компонентов к радиаторам .
Однако использование силиконов в электронике не обходится без проблем. Силиконы относительно дороги и могут подвергаться воздействию некоторых растворителей. Силикон легко мигрирует в виде жидкости или пара на другие компоненты. Загрязнение контактов электрического переключателя силиконом может привести к сбоям, вызывая увеличение контактного сопротивления, часто на поздних сроках службы контакта, то есть после завершения каких-либо испытаний. [14] [15] Использование спреев на основе силикона в электронных устройствах во время технического обслуживания или ремонта может привести к последующим сбоям.
Силиконовая пена использовалась в зданиях Северной Америки в попытке заделать проемы в огнестойких стенах и полах, чтобы предотвратить распространение огня и дыма из одной комнаты в другую. При правильной установке противопожарные заслонки из силиконовой пены можно изготовить в соответствии со строительными нормами. К преимуществам относятся гибкость и высокая диэлектрическая прочность. К недостаткам относятся горючесть (трудно потушить) и значительное образование дыма.
Противопожарные устройства из силиконовой пены были предметом споров и внимания прессы из-за образования дыма в результате пиролиза горючих компонентов внутри пены, утечки газообразного водорода , усадки и растрескивания. Эти проблемы привели к сообщениям о событиях среди лицензиатов (операторов атомных электростанций ) Комиссии по ядерному регулированию (NRC) . [ нужна цитата ]
Силиконовые противопожарные устройства также используются в самолетах.
Силикон — популярная альтернатива традиционным металлам (таким как серебро и золото) в ювелирных изделиях, особенно в кольцах. Силиконовые кольца обычно носят в тех профессиях, где металлические кольца могут привести к травмам, таким как электрическая проводимость и отрыв колец. [16] [17] В середине 2010-х годов некоторые профессиональные спортсмены начали носить силиконовые кольца в качестве альтернативы во время игр. [18]
Силиконовые смазки используются во многих целях, например, в велосипедных цепях , деталях оружия для страйкбола и в широком спектре других механизмов . Обычно смазка для сухого отверждения поставляется с носителем-растворителем для проникновения в механизм. Затем растворитель испаряется, оставляя прозрачную пленку, которая смазывает, но не притягивает грязь и песок так сильно, как масляная или другая традиционная «влажная» смазка.
Силиконовые личные смазки также доступны для использования в медицинских процедурах или сексуальной активности.
Силикон используется в микрофлюидике , уплотнениях, прокладках, кожухах и других устройствах, требующих высокой биосовместимости . Кроме того, гелевая форма используется в повязках и повязках, грудных имплантатах , имплантатах яичек, грудных имплантатах, контактных линзах и во многих других медицинских целях.
Листы для лечения шрамов часто изготавливаются из медицинского силикона из-за его долговечности и биосовместимости. Для этой цели часто используется полидиметилсилоксан (ПДМС) , поскольку его специфическое сшивание приводит к получению гибкого и мягкого силикона с высокой прочностью и липкостью. Он также использовался в качестве гидрофобного блока амфифильных синтетических блок -сополимеров , используемых для формирования везикулярной мембраны полимерсом .
Незаконные инъекции косметического силикона могут вызвать хроническую и окончательную диффузию силикона в кровь с дерматологическими осложнениями. [19]
В офтальмологии используется множество продуктов, таких как силиконовое масло, используемое для замены стекловидного тела после витрэктомии, силиконовые интраокулярные линзы после экстракции катаракты, силиконовые трубки для поддержания открытым носослезного прохода после дакриоцисториностомии, канальцевые стенты при канальцевом стенозе, пробки слезной точки для окклюзии слезной точки при сухих глазах, силиконовая резина и бандажи в качестве наружной тампонады при тракционной отслойке сетчатки и переднерасположенного разрыва при регматогенной отслойке сетчатки.
Аддитивные и конденсационные (например, поливинилсилоксановые ) силиконы находят широкое применение в качестве оттискного материала для зубов благодаря своим гидрофобным свойствам и термической стабильности. [20] [21] [22]
Двухкомпонентные силиконовые системы используются в качестве резиновых форм для отливки смол , пенопластов, резины и низкотемпературных сплавов. Силиконовая форма обычно практически не требует отделения формы или подготовки поверхности, поскольку большинство материалов не прилипают к силикону. В экспериментальных целях для изготовления форм или формования можно использовать обычный однокомпонентный силикон. При необходимости на сопрягаемые поверхности в качестве антиадгезива можно использовать обычные растительные кулинарные масла или вазелин . [23]
Силиконовые формы для приготовления пищи, используемые в качестве форм для выпечки , не требуют покрытия растительным маслом; кроме того, гибкость резины позволяет легко вынимать выпеченные блюда из формы после приготовления.
Силиконы являются ингредиентами, широко используемыми в средствах по уходу за кожей, декоративной косметикой и уходом за волосами. Некоторые силиконы, особенно функционализированные амином адиметиконы, являются отличными кондиционерами для волос, обеспечивая улучшенную совместимость, ощущение и мягкость, а также уменьшая вьющиеся волосы. Фенилдиметиконы из другого семейства силиконов используются в средствах для улучшения отражения и коррекции цвета волос, где они увеличивают блеск и блеск (и, возможно, придают тонкие изменения цвета). Фенилтриметиконы, в отличие от кондиционирующих амодиметиконов, имеют показатель преломления (обычно 1,46), близкий к показателю преломления человеческого волоса (1,54). Однако, если амодиметикон и фенилтриметикон включены в один и тот же состав, они взаимодействуют и разбавляют друг друга, что затрудняет достижение как сильного блеска, так и превосходного кондиционирования в одном и том же продукте. [24]
Силиконовая резина обычно используется в сосках для детских бутылочек из-за ее чистоты, эстетичного внешнего вида и низкого содержания экстрагируемых веществ.
Силиконы используются в средствах для бритья и личных смазочных материалах . [25]
Silly Putty и подобные материалы состоят из силиконов , диметилсилоксана , полидиметилсилоксана и декаметилциклопентасилоксана , а также других ингредиентов. Это вещество известно своими необычными характеристиками, например, оно подпрыгивает, но ломается при резком ударе; через некоторое время он также будет течь как жидкость и образовывать лужу.
Силиконовые «резинки» — это долговечная популярная замена настоящим резинкам в модных в 2013 году игрушках « ткацких станках с резиновыми лентами » по цене в два-четыре раза дороже (в 2014 году). Силиконовые ремешки также выпускаются в размерах браслетов, на которых можно нанести индивидуальное тиснение с именем или сообщением. Большие силиконовые ленты также продаются в качестве креплений.
Формерол — это силиконовый каучук (продаваемый под названием Sugru ), используемый в качестве материала для декоративно-прикладного искусства, поскольку его пластичность позволяет формовать его вручную, как глину для лепки. Он затвердевает при комнатной температуре и обладает адгезией к различным материалам, включая стекло и алюминий. [26]
Oogoo — недорогая силиконовая глина, которую можно использовать вместо Сугру . [27]
При изготовлении аквариумов производители теперь обычно используют 100% силиконовый герметик для соединения стеклянных пластин. Стеклянные стыки, выполненные с помощью силиконового герметика, выдерживают большое давление, что делает устаревшим оригинальный метод строительства аквариума с использованием уголков и шпаклевки. Этот же силикон используется для изготовления петель в крышках аквариумов или при мелком ремонте. Однако не все коммерческие силиконы безопасны для изготовления аквариумов, и силикон не используется для изготовления акриловых аквариумов, поскольку силиконы не обладают длительной адгезией к пластику. [28]
Ведущие мировые производители силиконовых базовых материалов принадлежат трем региональным организациям: Европейскому силиконовому центру (CES) в Брюсселе, Бельгия ; Центр окружающей среды, здоровья и безопасности силиконов (SEHSC) в Херндоне, Вирджиния , США; и Ассоциация силиконовой промышленности Японии (SIAJ) в Токио, Япония . Коллективными членами этих организаций являются Dow Corning Silicones, Evonik Industries, Momentive Performance Materials, Milliken and Company (SiVance Specialty Silicones), Shin-Etsu Silicones, Wacker Chemie, Bluestar Silicones, JNC Corporation, Wacker Asahikasei Silicone и Dow Corning Toray. Четвертая организация, Глобальный совет по силикону (GSC), действует как головная структура над региональными организациями. Все четыре являются некоммерческими организациями и не играют никакой коммерческой роли; их основная задача — продвигать безопасность силиконов с точки зрения здоровья, безопасности и окружающей среды. Поскольку европейская химическая промышленность готовится к реализации законодательства о регистрации, оценке и авторизации химических веществ (REACH) , CES возглавляет формирование консорциума [29] производителей и импортеров силиконов, силанов и силоксанов для облегчения сбора данных и определения затрат. делиться.
Силиконовые соединения широко распространены в окружающей среде. Отдельные соединения кремния, циклические силоксаны D 4 и D 5 , загрязняют воздух и воду и оказывают негативное воздействие на здоровье подопытных животных. [30] Они используются в различных продуктах личной гигиены. Европейское химическое агентство установило, что «D 4 представляет собой стойкое, биоаккумулятивное и токсичное (PBT) вещество, а D 5 — очень стойкое, очень биоаккумулятивное (vPvB) вещество». [31] [32] Другие силиконы легко биоразлагаются, и этот процесс ускоряется различными катализаторами, включая глины. [1] Было показано, что циклические силиконы вызывают появление силанолов во время биоразложения у млекопитающих. [ необходимы разъяснения ] [33] Полученные силанедиолы и силанетриолы способны ингибировать гидролитические ферменты, такие как термолизин , ацетихолинэстераза . Однако дозы, необходимые для ингибирования, на порядки превышают дозы, возникающие в результате накопленного воздействия потребительских товаров, содержащих циклометикон . [34] [35]
При температуре около 200 °C (392 °F) в кислородсодержащей атмосфере ПДМС выделяет следы формальдегида ( но в меньшем количестве, чем другие распространенные материалы, такие как полиэтилен. [36] [37] ). более низкое образование формальдегида, чем минеральное масло и пластмассы (менее 3–48 мкг CH 2 O/(г·час) для силиконового каучука высокой консистенции по сравнению с примерно 400 мкг CH 2 O/(г·час) для пластмасс и минерального масла) . Было обнаружено, что при температуре 250 °C (482 °F) все силиконы производят большое количество формальдегида (от 1200 до 4600 мкг CH 2 O/(г · час)). [37]
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link) CS1 maint: others (link)