Кіріспе
Полидиметилсилоксан (PDMS) – диметилполисилоксан немесе диметикон деп те аталатын, косметикадан бастап өнеркәсіптік майлау және күндізгі пассивті радиациялық салқындату сияқты кең ауқымды қолданыстарға ие силикон полимері. Ол ерекше реологиялық (немесе ағыс) қасиеттерімен ерекше көзге түседі. PDMS оптикалық тұрғыдан таза, жалпы алғанда инертті, уытты емес және жанғыш емес. Ол полимерленген силоксаннан жасалған силикон майының бір түрі. Оның қолданылу аймағы контактты линзалар мен медициналық құрылғылардан бастап эластомерлерге дейін жетеді; сонымен қатар, ол шампуньдерде (шашты жылтыр әрі сырғақты етеді), тағамда (көбік пайда болуын тоқтату үшін), герметиктерде, майлау материалдарында және жылуға төзімді плиткаларда қолданылады.
Polydimethylsiloxane (PDMS), also known as dimethylpolysiloxane or dimethicone, is a silicone polymer with a wide variety of uses, from cosmetics to industrial lubrication and passive daytime radiative cooling. It is particularly known for its unusual rheological (or flow) properties. PDMS is optically clear and, in general, inert, non toxic, and non flammable. It is one of several types of silicone oil (polymerized siloxane). Its applications range from contact lenses and medical devices to elastomers; it is also present in shampoos (as it makes hair shiny and slippery), food (antifoaming agent), caulk, lubricants and heat resistant tiles.
Механикалық қасиеттері
PDMS вискоэластикалық, яғни ұзақ ағын уақытында (немесе жоғары температурада) бал сияқты тұтқыр сұйықтық ретінде, ал қысқа ағын уақытында (немесе төмен температурада) резеңке сияқты серпімді қатты дене ретінде әрекет етеді. Вискоэластикалық – бұл кристалдаспаған полимерлерде кең таралған сызықтық емес серпімділік түрі. PDMS үшін кернеу-деформация қисығының жүктелуі мен түсірілуі сәйкес келмейді; керісінше, кернеудің шамасы деформация дәрежесіне байланысты өзгереді, және жалпы ереже бойынша, деформацияның артуы қаттылықтың жоғарылауына әкеледі. Жүктеме алынғанда, деформация бірден емес, бірте-бірте қалпына келеді. Бұл уақытқа тәуелді серпімді деформация полимердің ұзын тізбектерінің нәтижесі болып табылады. Алайда, жоғарыда сипатталған процесс тек байланыс болған жағдайда ғана маңызды; байланыс болмағанда, PDMS полимері жүктеме алынғаннан кейін де бастапқы күйіне орала алмайды, нәтижесінде тұрақты деформация пайда болады. Дегенмен, PDMS-де тұрақты деформация сирек кездеседі, себебі ол көбінесе байланыстырушы агенттермен өңделеді. Егер PDMS бір түнге (ұзақ ағын уақыты) бетте қалдырылса, ол бетті жауып, кез келген беттік кемшіліктерге қалыптасады. Ал егер дәл сол PDMS шар тәрізді қалыпқа құйылып, қатыруға (қысқа ағын уақыты) рұқсат етілсе, ол резеңке шар сияқты секіреді. Бұл PDMS-ті әртүрлі микросұйықтық және микроэлектромеханикалық жүйелерге оңай интеграцияланатын жақсы субстратқа айналдырады. Қолданылу саласына және қажеттілікке қарай, пайдаланушы қасиеттерді қажетті деңгейде реттей алады. Жалпы, PDMS-тің серпімділік модулі төмен, бұл оны оңай деформациялауға мүмкіндік береді және резеңке сияқты мінез-құлыққа ие болуын қамтамасыз етеді.
Химиялық үйлесімділік
ПДМС гидрофобты. Плазмалық тотығу арқылы беткі химияны өзгертуге болады, бетке силанол (SiOH) топтарын қосуға болады. Бұл мақсатта атмосфералық ауа плазмасы және аргон плазмасы қолданылуы мүмкін. Бұл өңдеу ПДМС бетін гидрофильді етеді, соның арқасында су оны жақсырақ ылғалдайды. Тотыққан бетті трихлорсиланмен реакция арқылы қосымша функционалдауға болады. Бірқатар уақыт өткен соң, қоршаған орта вакуум, ауа немесе су болған жағдайда да, беткі қабаттың гидрофобты қасиеттеріне оралуы сөзсіз. Тотыққан бет ауада шамамен 30 минутқа дейін тұрақты болады. Егер ұзақ мерзімді гидрофильділік қажет болса, гидрофильді полимерлерді жабыстыру, беткі наноқұрылым жасау және енгізілген беттік белсенді заттармен динамикалық модификация сияқты техникаларды қолдануға болады. Қатты ПДМС үлгілері (беті тотыққан немесе тотықпаған) сулы еріткіштердің материалға сіңіп, оны кеңейтуіне мүмкіндік бермейді. Осылайша, ПДМС құрылымдарын су және спирт еріткіштерімен бірге деформациясыз пайдалануға болады. Дегенмен, көптеген органикалық еріткіштер материалға сіңіп, оның ісінуіне әкелуі мүмкін.
Үстіңгі белсенді және көбікті болдырмайтын заттар
PDMS туындылары жиі қолданылатын беттік белсенді заттар және көбікқұрыштардың құрамына кіреді. PDMS өзгертілген түрінде гербицидтердің сіңуін күшейтуге қолданылады және Rain X сияқты су өткізбейтін жабындардың маңызды құрамы болып табылады.
Гидравликалық сұйықтықтар және оларға байланысты қосымшалар
Диметикон автомобильдердегі тұтқыр шектеулі дифференциалдар мен біріктіргіштердегі белсенді силикон сұйықтығы ретінде қолданылады.
Күндізгі радиациялық салқындату
PDMS – күн сәулесін жақсы шағылыстыратын және жылуды тиімді шығаратын кең спектрлі сәуле шығарушы ретінде күндізгі пассивті радиациялық салқындатуда қолданылатын жиі кездесетін беттік материал. Төмен құнмен өндірілетін полимер ретінде кеңейту мүмкіндігі болғандықтан көптеген сынақтан өткен беттерде PDMS қолданылады. Күндізгі радиациялық салқындату беті ретінде PDMS күн батареяларының тиімділігін арттыру мақсатында да сынақтан өткізілді.
Жұмсақ литография
PDMS жиі жұмсақ литография процедурасында мөр ретінде қолданылады, осылайша оны микрофлюидикалық чиптерде ағын жеткізу үшін қолданылатын ең көп таралған материалдардың біріне айналдырады. Жұмсақ литография процесі иілгіш мөр жасаудан тұрады, ол шыны, кремний немесе полимер беттеріне бірнеше нанометр ғана өлшемдегі үлгілерді көшіруге мүмкіндік береді. Осы техниканың көмегімен оптикалық телекоммуникация немесе биомедициналық зерттеулер саласында қолданылатын құрылғыларды жасауға болады. Мөр, әдетте, фотолитография немесе электронды сәулелі литография әдістерімен жасалады. Ажыратымдылық қолданылатын маскаға байланысты және 6 нм-ге дейін жете алады. PDMS-тің микрофлюидика саласында танымал болуы оның тамаша механикалық қасиеттерімен байланысты. Сонымен қатар, басқа материалдармен салыстырғанда, ол жоғары оптикалық қасиеттерге ие, флуоресценттік бейнелеу кезінде минималды фондық шу мен автофлуоресценцияға мүмкіндік береді. Биомедициналық (немесе биологиялық) микроэлектромеханикалық жүйелерде (био-МЭМС) жұмсақ литография органикалық және органикалық емес контексттерде микрофлюидика үшін кеңінен қолданылады. Кремний пластиналары арналарды жобалау үшін қолданылады, содан кейін PDMS осы пластиналардың үстіне құйылады және қатаюға қалдырылады. Алып тасталғаннан кейін, ең кішкентай бөлшектер де PDMS-те көрініс тапқан күйінде қалады. Бұл нақты PDMS блогы үшін гидрофильді беттік модификация плазмалық гравировка әдістерін қолдану арқылы жүргізіледі. Плазмалық өңдеу беткі кремний-оттегі байланыстарын бұзады, ал плазмамен өңделген шыны слайд әдетте PDMS-тің белсендірілген жағына (плазмамен өңделген, қазір гидрофильді және бедерленген жағы) орналастырылады. Белсендіру әсері біткеннен және байланыстар қайта құрыла бастағаннан кейін, шыны мен PDMS беттерінің арасында кремний-оттегі байланыстары пайда болады, нәтижесінде слайд PDMS-ке берік бітісіп, су өткізбейтін арна құрылады. Осы құрылғылармен зерттеушілер әртүрлі функциялар үшін әртүрлі беттік химия техникаларын пайдалана алады, соның нәтижесінде жылдам параллель сынақтар жүргізуге арналған бірегей "чиптегі лаборатория" құрылғыларын жасауға болады. PDMS желілерге байланыстырылуы мүмкін және полимер желілерінің серпімділігін зерттеу үшін кеңінен қолданылатын жүйе болып табылады. PDMS беттік зарядты литография арқылы тікелей өрнектелген болуы мүмкін. PDMS синтетикалық геко-олғау құрғақ жабысқақ материалдарды жасауда қолданылады, бірақ қазіргі уақытта тек зертханалық сынақтар үшін ғана қолжетімді. Кейбір икемді электроника зерттеушілері PDMS-тің төмен құны, оңай өндірілуі, икемділігі және оптикалық мөлдірлігі үшін пайдаланады. Дегенмен, әртүрлі толқын ұзындықтарында флуоресценциялық бейнелеу үшін PDMS ең аз автофлуоресценцияны көрсетеді және BoroFloat шынысына ұқсас.
Стереолитография
Стереолитографиялық (SLA) 3D-басылымда жарық фотокерсетін шайырға проекцияланады, осы арқылы шайыр қатырылады. SLA принтерлерінің кейбір түрлері шайыр резервуарының түбінен қатайтылады, сондықтан әрбір басылған қабатқа жаңа қатырылмаған шайырдың қабаты жеткізілуі үшін өсіп келе жатқан модельді негізінен бөліп алу қажет. Резервуардың түбіндегі PDMS қабаты оттегіні сіңіру арқылы бұл процеске көмектеседі: шайырға жақын оттегінің болуы оның PDMS-ке жабысуына кедерес жасайды, ал оптикалық таза PDMS проекцияланған кескіннің шайырға бұрмаланбастан өтуін қамтамасыз етеді.
Дәрі-дәрмек және косметика
Белсендірілген диметикон, полидиметилсилоксандар мен кремний диоксидінің (кейде симетикон деп аталады) қоспасы, көбікті жоюшы және карминативтік зат ретінде рецептсіз сатылатын дәрілерде жиі қолданылады. PDMS сонымен қатар, әдеттегі майлардан жеңіл және теріге жақсы сіңетін ылғалдандырғыш ретінде де жұмыс істейді. Силиконды еміздік имплантаттары PDMS эластомер қабығынан жасалады, оған түтінді аморфты кремний қышқылы қосылып, PDMS гелі немесе тұзды ерітінді құйылады. Контактті линзаларды өндіруде PDMS-ті пайдалануға патент алынған (кейіннен патенттен бас тартылды).
Тері
PDMS косметика және тұтыну тауарлары өндірісінде де түрліше қолданылады. Мысалы, диметикон теріні ылғалдандыратын лосьондарда кеңінен қолданылады, онда ол "теріні қорғау" мақсатындағы белсенді компонент ретінде көрсетіледі. Кейбір косметикалық құралымдарда диметикон және оған ұқсас силоксан полимерлері 15%-ға дейін мөлшерде қолданылады. Косметикалық ингредиенттерді қарастыратын (CIR) сарапшылар тобы диметикон мен оған ұқсас полимерлердің "косметикалық құралымдарда қолданғанда қауіпсіз" деген қорытындыға келді.
Шаш
PDMS қосылыстары, мысалы амодиметикон, шашқа күтім жасау үшін майда бөлшектерден тұратын және суда немесе спиртте ерітілетін немесе беттік белсенді заттар ретінде танысқанда (әсіресе зақымдалған шаштар үшін) тиімді кондиционерлер болып табылады, сонымен қатар, қарапайым диметикон мен диметикон кополиолдарына қарағанда шашты жақсырақ күтіммен қамтиды.
Контактті линзалар
PDMS-ті қолданудың ұсынылған бір жолы – контактты линзаларды тазалау. Оның төмен эластикалық модуль және суды қабысқандығы сияқты физикалық қасиеттері, көп мақсатты ерітінділер мен саусақпен сүртіп тазалауға қарағанда, контактты линза бетінен микро және нано ластанушыларды тиімдірек тазалауға мүмкіндік береді. Зерттеушілер бұл әдісті PoPPR (полимер арқылы полимерден ластануды жою) деп атап, линзаларға жабысқан нанопластикті жоюда оның жоғары тиімділігін атап көрсетті.
Паразиттерге қарсы
PDMS адамдардағы биттерді емдеуде тиімді. Бұл, тұншығудың (немесе уланудың) нәтижесі емес, су шығаруды тоқтату арқасында болады деп саналады, бұл жәндіктердің физиологиялық стрестен ұзақ уақыт бойы қозғалмай қалуына немесе ішек сияқты ішкі органдарының жұмысын бұзуға алып келіп, өлімге ұшыратады. Диметикон – мысыққа қолданылатын биттерге қарсы спрейдің белсенді компоненті, ол кеңінен қолданылатын, улы пирипроксифен/перметрин спрейімен бірдей тиімділікке ие. Паразит бұл затқа түсіп, қозғалмай қалады, нәтижесінде үш аптадан астам уақыт бойы ересек биттердің пайда болуы тежеледі.
Тамақ
PDMS көптеген тағамдық майларға (көбік пайда болуын болдырмау үшін) қосылады, бұл пісіру кезінде майдың шашырауын алдын алуға көмектеседі. Осының салдарынан, PDMS McDonald's Chicken McNuggets, картофель фри, хашбраун, коктейльдер мен смузилер және Wendy's картофель фри сияқты көптеген жылдам дайындалатын тағамдарда шамалы мөлшерде табылуы мүмкін. Еуропалық тағамдық қоспалар регламенті бойынша ол E900 ретінде тізімделген.
Кондомдық майлаушы зат
ПДМС презервативтерді майлау үшін кеңінен қолданылады.
Үй шаруашылығы және арнайы мақсаттағы пайдалану
Көптеген адамдар PDMS-пен жанама түрде таныс, себебі ол Silly Putty-дегі маңызды құрауыш болып табылады, және PDMS оған ерекше вискоэластикалық қасиеттерін сыйлайды. PDMS қолданылатын тағы бір ойыншық – кинетикалық құм. Иісі сіркеқышқыштай, резеңкелі силиконды герметиктер, желімдер және аквариумдық герметиктер де жақсы белгілі. PDMS сонымен қатар силикон майлары мен басқа да силикон негізді майлау материалдарының құрамына, сондай-ақ көбікқұрыштарды жоюға арналған заттар, қалыптан шығаруға арналған заттар, серіксіздендіру сұйықтықтары, жылу тасымалдау сұйықтықтары, жылтыратқыштар, косметика, шаш кондиционерлері және басқа да қолдануларда пайдаланылады. Оны тағамдардың бас кеңістігін (еріген газды талдау) талдау үшін сорбент ретінде де қолдануға болады.
Қауіпсіздік және экологиялық факторлар
Ульманның өнеркәсіптік химия энциклопедиясына сәйкес, силоксандар қоршаған ортадағы тірі организмдерге ерекше зиянды әсер ететіні байқалған жоқ. PDMS биологиялық түрде ыдырамайды, бірақ сарғыш суларды тазарту станцияларында сіңіріледі. Оның ыдырауын әртүрлі топырақтар катализдейді.