Көмекші резеңке материалдар: Силикон резеңкесінің қасиеттері мен қолданылуы

Кіріспе

Эластомер

Силикон каучугі – силиконнан құралған эластомер (резина тәрізді материал), ол кремний, көміртек, сутек және оттегіні қамтитын полимер болып табылады. Силикон каучуктері өнеркәсіпте кеңінен қолданылады және олардың көптеген түрлері бар. Силикон каучуктері көбінесе бір немесе екі компонентті полимерлер болып табылады және олардың қасиеттерін жақсарту немесе құнын төмендету үшін толтырғыштар қосылуы мүмкін. Силикон каучугі әдетте реакцияға түспейді, тұрақты және экстремалды орта мен температураға төзімді, сонымен бірге өзінің пайдалы қасиеттерін сақтайды. Осы қасиеттерінің және оңай өндірілуінің және пішінделуінің арқасында силикон каучугін көптеген өнімдерде кездестіруге болады, оның ішінде жоғары кернеулі электр желілерінің изоляторларында; автомобильдерде қолданылатын бұйымдарда; тамақ пісіруге, нан пісіруге және тағам сақтауға арналған өнімдерде; іш киім, спорттық киім және аяқ киім сияқты киім-кешекте; электроникада; медициналық құралдар мен имплантаттарда; сондай-ақ үй жөндеу және аппараттық бұйымдарда, мысалы, силикон герметиктерінде қолданылады.

Емдеу

Силикон каучугі қатайтылмаған күйде жоғары жабысқақтыққа ие гель немесе сұйықтық болып табылады. Оны қатты күйге келтіру үшін қатайту, вулканизациялау немесе катализденуі керек. Бұл әдетте өндіріс кезінде қажетті пішінге екі кезеңді процесте, содан кейін ұзаққа созылатын қосымша өңдеу процесінде жүзеге асырылады. Оны инъекциялық қалыптау немесе 3D-басып шығару арқылы да жасауға болады. Силикон каучугі платина катализді қату жүйесімен, конденсациялық қату жүйесімен, пероксидтік қату жүйесімен немесе оксимдік қату жүйесімен қатырылуы мүмкін. Платина катализді қату жүйесі үшін қату процесін жылу немесе қысым қосу арқылы жылдамдатуға болады.

Платинаға негізделген қату жүйесі

Платинаға негізделген силиконды шипару жүйесінде, сондай-ақ қосу жүйесі деп аталатын (өйткені негізгі реакцияны құрайтын полимер – қосу реакциясы), гидрид және винилді функционалдық силоксан полимері платиналық кешенді катализатордың қатысуымен реакцияласып, екеуінің арасында этилдік байланыс құрайды. Бұл реакцияның жанама өнімдері жоқ. Мұндай силикон резеңкелер тез шипарылады, алайда элементтік қалайы, күкірт және көптеген амин қосылыстарының болуы шипару жылдамдығына немесе тіпті шипару мүмкіндігіне кедерес келтіруі мүмкін.

Конденсациялық тазарту жүйесі

Конденсациялық қатаю жүйелері бір немесе екі компонентті жүйелер болуы мүмкін. Бір компонентті немесе RTV (бөлме температурасында вулканизацияланатын) жүйеде, қоршаған ортаның ылғалдылығына (яғни, суға) ұшыраған өзара байланыстырушы зат гидролизден өтеді және гидроксил немесе силанол тобымен қалады. Силанол полимерде немесе өзара байланыстырушы заттағы басқа гидролизделетін топпен одан әрі конденсацияланып, жүйе толықтай қатаюға дейін жалғасады. Мұндай жүйе бөлме температурасында өздігінен қатаяды және (платинаға негіделген қосымша қатаю жүйесінен өзгеше) басқа химиялық заттармен тікелей жанасудан оңай тежелмейді, бірақ кейбір пластиктер немесе металдармен жанасу процеске әсер етуі мүмкін, ал егер бұрын қатырылған силикон қосылыстарымен жанасса, қатаю мүлдем болмауы мүмкін. Конденсациялық қатаю жүйелерінде қолданылатын өзара байланыстырушы заттар әдетте алкокси, ацетокси, эфир, энокси немесе оксим силандар болып табылады, мысалы, алкокси қатаю жүйелері үшін метил триметоксисилан және ацетокси қатаю жүйелері үшін метил триацетоксисилан. Көп жағдайда RTV жүйесін толық қатыру және жабыспайтын бетке қол жеткізу үшін қосымша конденсациялық катализатор қосылады. Алкокси қатырылатын жүйелерде тетраалкоксититанаттар немесе хелатталған титанаттар сияқты органотитанат катализаторлары қолданылады. Оксим және ацетокси қатырылатын жүйелерде дибутил қалайы дилаураты (DBTDL) сияқты қалайы катализаторларын қолдануға болады. Ацетокси қалайының конденсациясы – силикон резеңкесін қатыру үшін қолданылатын ең көне химиялық процестердің бірі және әдетте үй шаруашылығындағы ванна бөлмесіне арналған герметиктерде қолданылады. Ажыратылған молекуланың түріне байланысты силикон жүйелерін қышқылды, бейтарап немесе сілтілік деп жіктеуге болады. Екі компонентті конденсациялық жүйелерде өзара байланыстырушы зат пен конденсациялық катализатор бір компонентте, ал полимер және кез келген толтырғыштар немесе пигменттер екінші компонентте болады. Екі компонентті араластыру қатыру процесін бастайды. Типикалық толтырғыш – тұтқырлықтың ағымдағы қасиеттерін реттеу үшін қолданылатын пирогенді кремний диоксиді. Толық қатырылғаннан кейін конденсациялық жүйелер сантехника және құрылыс саласында герметиктер мен тығыздағыштар ретінде, сондай-ақ полиуретан, эпоксидтік және полиэстер шайырларын, балауыз, гипс және қорғасын сияқты төмен балқу температурасы бар металдарды құюға арналған қалыптар ретінде тиімді. Олар әдетте өте икемді және жоғары жыртылуға төзімді. Силиконның жабыспайтын қасиеттеріне байланысты, оларға босатушы зат қолданудың қажеті жоқ.

Condensation curing systems can be one part or two part systems. In one part or RTV (room temperature vulcanizing) system, a cross linker exposed to ambient humidity (i. e., water) experiences a hydrolysis step and is left with a hydroxyl or silanol group. The silanol condenses further with another hydrolyzable group on the polymer or cross linker and continues until the system is fully cured. Such a system will cure on its own at room temperature and (unlike the platinum based addition cure system) is not easily inhibited by contact with other chemicals, though the process may be affected by contact with some plastics or metals and may not take place at all if placed in contact with already cured silicone compounds. The crosslinkers used in condensation cure systems are typically alkoxy, acetoxy, ester, enoxy or oxime silanes such as methyl trimethoxy silane for alkoxy curing systems and methyl triacetoxysilane for acetoxy curing systems. In many cases an additional condensation catalyst is added to fully cure the RTV system and achieve a tack free surface. Organotitanate catalysts such as tetraalkoxy titanates or chelated titanates are used in alkoxy cured systems. Tin catalysts such as dibutyl tin dilaurate (DBTDL) can be used in oxime and acetoxy cured systems. Acetoxy tin condensation is one of the oldest cure chemistries used for curing silicone rubber, and is the one used in household bathroom caulk. Depending on the type of detached molecule, it is possible to classify silicone systems as acidic, neutral or alkaline. Two part condensation systems package the cross linker and condensation catalyst together in one part while the polymer and any fillers or pigments are in the second part. Mixing of the two parts causes the curing to take place. A typical filler is fumed silica, also known as pyrogenic silica, which used to control the flow properties of the sealant. Once fully cured, condensation systems are effective as sealants and caulks in plumbing and building construction and as molds for casting polyurethane, epoxy and polyester resins, waxes, gypsum, and low melting temperature metals such as lead. They are typically very flexible and have a high tear strength. They do not require the use of a release agent since silicones have non stick properties.

Пероксидті тазарту жүйесі

Силикон каучугін қатайту үшін пероксидтік қатайту кеңінен қолданылады. Қатайту процесінде жанама өнімдер қалады, олар азық-түлікпен жанасу және медициналық қолдануда мәселе тудыруы мүмкін. Дегенмен, бұл өнімдер көбінесе қайнаудан кейінгі пеште өңделеді, бұл пероксидтің ыдырау өнімдерінің мөлшерін айтарлықтай азайтады. Қолданылатын екі негізгі органикалық пероксидтің бірі – дикумил пероксиді (кумен гидропероксидімен салыстырыңыз) – ацетофенон мен фенил-2-пропанолдың негізгі ыдырау өнімдерін құрайды. Екіншісі – дихлорбензоил пероксиді, оның негізгі ыдырау өнімдері – дихлорбензой қышқылы мен дихлорбензол.

Тарих

Силикон эластомерлері электр қозғалтқыштары мен генераторлары үшін жақсырақ оқшаулағыш материалдарды іздеу барысында жасалды. Осы кездегі ең жетілген материал – шайырмен сіңдірілген шыны талшықтары болатын. Шыны өте жоғары температураға төзімді, бірақ фенолды шайырлар жаңа, кішірек электр қозғалтқыштарында кездесетін температураға шыдамады. Corning Glass және General Electric компанияларының химиктері шайыр тәрізді байланыстырушы ретінде қолдануға болатын, жоғары температураға төзімді материалдарды зерттеген кезде алғашқы силикон полимерлерін синтездеді, олардың тиімді жұмыс істейтінін көрсетті және оларды коммерциялық түрде өндірудің жолын тапты. "Силикон" термині, іс жүзінде, қате атау. Химияшылар "он" жұрнағын молекула құрамында қос байланыстағы оттегі атомы бар затты көрсету үшін пайдаланады. Силикон алғаш ашқанда, ондағы оттегі атомдары осылай байланысқан деп жаңылысқан. Әртүрлі силикон каучуктарының техникалық тұрғысынан дұрыс атауы – полисилоксандар (полидиметилсилоксандар олардың ішіндегі үлкен тобы), олар қаныққан Si-O тізбегіне сілтеме жасайды.

Қасиеттері

Силикон каучугі экстремалды температураға жақсы төзімді, және силикон каучугі -60°C-тан +250°C дейін қалыпты жұмыс істей алады. Оның кернеуге беріктігі төмен, тозуға және жыртылуға нашар төзімді. Бірақ, кейбір қасиеттері, мысалы, созылу, иілуге төзімділік, жыртылу беріктігі, қысымдағы деформация, диэлектрлік беріктігі (жоғары кернеуде), жылу өткізгіштігі, отқа төзімділігі және кейбір жағдайларда кернеуге беріктігі, органикалық каучуктерге қарағанда едәуір жоғары болуы мүмкін, әлдебір ерекше материалдардан төмен болғанымен. Силикон каучугі – өнеркәсіпте бастапқы пішінін және механикалық беріктігін сақтау қажет болған кезде, қатты жылулық әсер немесе суық температурада қолдануға арналған материал.

Өндіріс

Силикон жасау үшін кремний атомдарын кремний диоксидінің қосылысы – кварцтан бөліп алу қажет. Бұл үлкен көлемдегі кварц құмын өте жоғары температурада, көбінесе 1800 °C-қа дейін қыздыру арқылы жасалады. Содан кейін кремний метилхлоридпен біріктіріліп, қыздырылады. Одан кейін ол полидиметилсилоксан деп аталатын полимерленген силоксанға айнытылады. Полидиметилсилоксанды полимерлеуге болады. Бұл соңғы өнімнің қолданылуына қарай түрлі әдістермен жүзеге асырылады. Таза кремний қосылысы пигменттер және катализатор қосылатын, қажетті қоспалармен араластырылады. Сосын ол инъекциялық қалыптау, экструзия немесе 3D-басып шығару арқылы өңделеді. Қаттыру – өндіріс процесінің соңғы сатысы.

Арнайы сыныптар

Силикон каучуктің көптеген арнайы сорттары мен түрлері бар, оның ішінде: буға төзімді, металл іздеуге болатын, жоғары жыртылуға төзімділік, ең жоғары температура, ең төмен температура, электр тогын өткізгіш, химиялық заттарға/майға/қышқылға/газға төзімді, аз түтін шығаратын және отқа қарсы тұратын. Силикон каучук құрамында әртүрлі толтырғыштар қолданылуы мүмкін, бірақ көпшілігі нығайтпайды және созу беріктігін азайтады. Силикон каучуктың қаттылығы 10 мен 100 аралығында Shore A немесе IRHD шкаласы бойынша әртүрлі болуы мүмкін, сандардың жоғарылауы қосылыстың қаттырақ екенін көрсетеді. Ол кез келген түсте де қол жетімді, сонымен қатар түстерге қарай реттеуге болады.

Қолданбалар

Силикон резеңсіз автомобиль саласында, көптеген тамақ дайындау, нан пісіру және тағам сақтау өнімдерінде, киім-кешек, іш киімдер, спорттық киімдер мен аяқ киімдерде, электроникада, үй жөндеу және тұрмыстық жабдықтарда, сондай-ақ көптеген көзге көрінбейтін қолданыстарда пайдаланылады. Ол әдетте келесідей әдістермен өңделіп, пішінделеді.

Экструзия

Араласқаннан және боялғаннан кейін силиконды резеңке өндірушінің өлшем талаптарына сәйкес құбырларға, жолақтарға, қатты шнурларға немесе арнайы пішіндерге экструзияланып шығарылуы мүмкін. Шнурларды О-сақиналар жасау үшін біріктіруге болады, ал экструзияланған пішіндерден тығыздағыштар жасауға болады.

Инъекциялық қалыптау

Силикон резеңін қалыптау арқылы кез келген пішін мен дизайнға келтіруге болады. Өндірушілер силикон резеңін экструзиялау, кесу немесе біріктіру кезінде белгілі бір салалық толеранттарды сақтайды. Ұлыбританияда бұл BS 3734 стандарты болып табылады, экструзиялар үшін ең жоғары дәлдік деңгейі – E1, ал ең кеңі – E3.

3D-басып шығару

Силиконды каучук сорғы мүндерлі экструзия жүйелерін қолдану арқылы 3D-басылымға жарамды (сұйық қабаттау модельдеуі LDM). Өкінішке орай, стандартты силикон формулалары экструзия және инъекциялық қалыптау машиналарында қолдану үшін оңтайландырылған және LDM негізіндегі 3D-басылымда қолданылмайды. Реологиялық қасиеттері мен пайдалану мерзімін реттеу қажет. 3D-басылымда силиконды каучукпен үйлесімді, алынып тасталатын тіреу материалының қолданылуы да қажет. Сұйық силиконды каучук сонымен қатар тіршілік ғылымы саласында (шприц поршеньдері, дозалау жүйелеріне арналған тығыздағыштар, IV ағынын реттегіштерге арналған төсемдер, тыныс алу маскалары, IV енгізуге арналған имплантацияланатын камералар), косметикалық өнімдерде (қас бояу щеткасы, макияж қаптамасы, макияжға жағу құралы және еріткіш қалыптары) және оптикалық өнімдерде (дөңгелек линзалар, коллиматорлар, Френель линзалары және еркін пішіндегі линзалар) қолданылады. Мұзға төзімді күн су жылытқыш панельдері силиконның серпімділігін пайдаланып, су мұздағанда кеңеюін қайталап қабылдай алады, ал оның жоғары температураға төзімділігі мұздаудан төмен температурада сынғыш болмауын және 150 °C (302 °F) жоғары температураға төзімділігін сақтайды. Көміртекті тірек сүйегінің болмауы, бірақ химиялық тұрақты кремний тірек сүйегінің болуы, оның Легионелла сияқты қауіпті су бактериялары үшін тамақ көзі ретіндегі әлеуетін азайтады. Ұшқыш емес қасиетіне байланысты авиация және аэроғарыш сымдарын орау үшін темір(III) оксиді қосылған (таспаны қызыл-сары түске бояйтын) боялмаған силиконды каучук лентасы кеңінен қолданылады. Темір оксидінің қосылуы жоғары жылу өткізгіштігін қамтамасыз етеді, бірақ силиконды каучуктың жоғары электр оқшаулағыш қасиеттерін өзгертпейді. Бұл типтегі өздігінен біріктірілетін ленталар кабельдерге, электрлік қосылыстарға, шлангтар мен құбырларға оралғанда бір-бірімен бірігіп, жабыспайтын, бірақ мықты, тігіссіз, резеңке тәрізді, электр оқшаулағыш және су өткізбейтін қабатты құрайды. Электр оқшаулағышы ретінде силиконды каучук жылудан зақымданған кезде де өткізгіштіксіз қалу артықшылығына ие, бұл арканың қашу мүмкіндігін азайтады. Көміртек немесе басқа өткізгіш затты ұнтақ күйінде толтыру арқылы силиконды каучук электр өткізгіштікке айналдыруға болады, сонымен бірге оның көптеген басқа механикалық қасиеттерін сақтайды. Сондықтан ол компьютерлік пернетақталар және қашықтан басқару пультері сияқты көптеген құрылғыларда қолданылатын, басылғанда жабылатын иілгіш контактілер үшін қолданылады.

Silicone rubber can be 3d printed (liquid deposition modelling LDM) using pump nozzle extrusion systems. Unfortunately, standard silicone formulations are optimized to be used by extrusion and injection moulding machines and are not applicable in LDM based 3D printing. The rheological behavior and the pot life need to be adjusted. 3D printing also requires the use of a removable support material that is compatible with the silicone rubber. Liquid silicone rubber is also manufactured for life science applications (syringe pistons, closure for dispensing system, gaskets for IV flow regulator, respiratory masks, implantable chambers for IV administration), cosmetic products (Mascara brush, make up packaging, make up applicator and lipstick moulds) and optics products (circular lens, collimators, Fresnel lenses and free form lenses). Freeze tolerant solar water heating panels exploit the elasticity of silicone to repeatedly accommodate the expansion of water on freezing, while its extreme temperature tolerance maintain a lack of brittleness below freezing and excellent tolerance of temperatures in excess of 150 °C (302 °F). Its property of not having a carbon backbone, but a chemically robust silicon backbone instead, reduces its potential as a food source for dangerous waterborne bacteria such as Legionella. Non dyed silicone rubber tape with an iron(III) oxide additive (making the tape a red orange colour) is used extensively in aviation and aerospace wiring applications as a splice or wrapping tape due to its non flammable nature. The iron oxide additive adds high thermal conductivity but does not change the high electrical insulation property of the silicone rubber. This type of self amalgamating tape amalgamates or fuses to itself, so that when stretched and wrapped around cables, electrical joints, hoses and pipes it bonds into a strong seamless rubbery electrically insulating and waterproof layer, although not adhesive. As an electrical insulator, silicone rubber has the added virtue of remaining non conductive when damaged by heat, reducing the likelihood of runaway arcing. With the addition of carbon or another conductive substance as a powdered filler, silicone rubber can be made electrically conductive while retaining most of its other mechanical properties. As such it is used for flexible contacts which close on being pressed, used in many devices such as computer keyboards and remote control handsets.

Электрлік оқшаулау

Силикон каучугі қуат кабельдері мен кабельдік қосылыстарда электр оқшаулағышы ретінде қолданылады. Силикон оқшауланған кабельдердің артықшылығы – олар 90°C-тан 200°C-қа дейінгі температураны қабылдай алады және жоғары икемділікке ие. Осы қасиеттері оларды өрт кезінде тізбектің сақталуын қамтамасыз етуге мүмкіндік береді.

Өзін-өзі сауықтыру

2007 жылы силикон каучугі алғашқы автономды түрде өзін-өзі жазатын эластомердің матрицасын құрады. Микрокапсулаға негіделген материал бастапқы жыртылу төзімділігінің көбін қалпына келтіре алды. Бұған қоса, бұл материалдың шаршауға төзімділігі бұрылу шаршау сынағы арқылы жақсартылғаны анықталды.