Введение
Химическое соединение
Полидиметилсилоксан (PDMS), также известный как диметилполисилоксан или диметикон, – это силиконовый полимер с широким спектром применения, от косметики до промышленной смазки и пассивного радиационного охлаждения в дневное время. Он особенно известен своими необычными реологическими (или текучестными) свойствами. PDMS оптически прозрачен и, как правило, инертен, нетоксичен и негорюч. Это один из нескольких типов силиконовых масел (полимеризованный силоксан). Его применение варьируется от контактных линз и медицинских приборов до эластомеров; он также входит в состав шампуней (делая волосы блестящими и гладкими), пищевых продуктов (в качестве пеногасителя), герметиков, смазочных материалов и термостойкой плитки.
Механические свойства
PDMS является вязкоупругим материалом, что означает, что при длительном времени течения (или высоких температурах) он ведет себя как вязкая жидкость, подобно меду. Однако при коротком времени течения (или низких температурах) он ведет себя как эластичное твердое тело, похожее на резину. Вязкоупругость – это форма нелинейной эластичности, часто встречающаяся у некристаллических полимеров. Кривые нагрузки и разгрузки для PDMS не совпадают; скорее, величина напряжения изменяется в зависимости от степени деформации, и в общем случае увеличение деформации приводит к большей жесткости. При снятии нагрузки деформация восстанавливается медленно (а не мгновенно). Эта зависящая от времени эластичная деформация обусловлена длинными цепями полимера. Однако описанный выше процесс актуален только при наличии поперечных связей; в их отсутствие полимер PDMS не может вернуться в исходное состояние даже после снятия нагрузки, что приводит к необратимой деформации. Однако необратимая деформация редко наблюдается в PDMS, поскольку он почти всегда отверждается с использованием сшивающего агента. Если оставить немного PDMS на поверхности на ночь (длительное время течения), он потечет, чтобы покрыть поверхность и принять форму любых неровностей. Однако, если тот же PDMS залить в сферическую форму и дать ему отвердиться (короткое время течения), он будет отскакивать как резиновый мяч. Это делает PDMS подходящей подложкой, которую можно легко интегрировать в различные микрофлюидные и микроэлектромеханические системы. В зависимости от применения и области, пользователь может настраивать свойства материала в соответствии с требованиями. В целом, PDMS обладает низким модулем упругости, что позволяет ему легко деформироваться и обеспечивает резиноподобное поведение.
Химическая совместимость
ПДМС гидрофобен. Окисление плазмой может быть использовано для изменения поверхностной химии, добавляя силанольные (SiOH) группы на поверхность. Для этой цели подойдут плазма атмосферного воздуха и аргоновая плазма. Эта обработка делает поверхность ПДМС гидрофильной, обеспечивая смачиваемость водой. Окисленную поверхность можно дополнительно функционализировать реакцией с трихлорсиланами. Через определенное время восстановление гидрофобности поверхности неизбежно, независимо от окружающей среды – вакуума, воздуха или воды; окисленная поверхность стабильна на воздухе около 30 минут. В качестве альтернативы, для применений, требующих долгосрочной гидрофильности, могут быть полезны такие методы, как прививка гидрофильных полимеров, поверхностное наноструктурирование и динамическая модификация поверхности с внедренными поверхностно-активными веществами. Твердые образцы ПДМС (независимо от того, окислены они поверхностно или нет) не пропускают водные растворители внутрь материала и не позволяют ему разбухать. Таким образом, структуры из ПДМС можно использовать в сочетании с водой и спиртовыми растворителями без деформации материала. Однако большинство органических растворителей диффундируют в материал, вызывая его набухание.
Плотноактивные вещества и антипенные вещества
Производные PDMS – распространенные поверхностно-активные вещества и компонент пеногасителей. PDMS в модифицированной форме используется как проникатель гербицидов и является ключевым ингредиентом водоотталкивающих покрытий, таких как Rain X.
Гидравлические жидкости и связанные с ними применения
Диметикон используется в качестве активной силиконовой жидкости в автомобильных дифференциалах повышенного трения и муфтах.
Дневное радиационное охлаждение
PDMS – распространенный поверхностный материал, используемый в пассивном радиационном охлаждении в качестве широкополосного излучателя с высокой отражающей способностью к солнечному излучению и теплоизлучающей способностью. Многие исследуемые поверхности используют PDMS благодаря его потенциальной масштабируемости как недорогого полимера. PDMS также тестировался в качестве поверхности для радиационного охлаждения с целью повышения эффективности солнечных элементов.
Мягкая литография
PDMS широко используется в качестве штамповой смолы в процедуре мягкой литографии, что делает его одним из наиболее распространенных материалов для доставки потока в микрофлюидических чипах. Процесс мягкой литографии заключается в создании эластичного штампа, позволяющего переносить рисунки размером всего в несколько нанометров на стеклянные, кремниевые или полимерные поверхности. С помощью этой методики можно создавать устройства для оптоволоконной связи или биомедицинских исследований. Штамп изготавливается с использованием стандартных методов фотолитографии или литографии электронным лучом. Разрешение зависит от используемой маски и может достигать 6 нм. Популярность PDMS в микрофлюидике обусловлена его превосходными механическими свойствами. Кроме того, по сравнению с другими материалами, он обладает лучшими оптическими свойствами, обеспечивая минимальный фон и автофлуоресценцию при флуоресцентной микроскопии. В биомедицинских (или биологических) микроэлектромеханических системах (био-МЭМС) мягкая литография широко применяется для микрофлюидики как в органических, так и в неорганических системах. Для создания каналов используются кремниевые пластины, на которые затем заливается PDMS и оставляется для отверждения. После удаления даже самые мелкие детали остаются отпечатанными в PDMS. Для данного конкретного блока PDMS проводится гидрофильная модификация поверхности с использованием плазменного травления. Плазменная обработка разрывает поверхностные связи кремния с кислородом, и обработанное плазмой стеклянное стекло обычно помещается на активированную сторону PDMS (обработанную плазмой, теперь гидрофильную сторону с отпечатками). После прекращения действия активации и восстановления связей между поверхностными атомами стекла и поверхностными атомами PDMS формируются связи кремния с кислородом, и стекло прочно приклеивается к PDMS, создавая герметичный канал. С помощью этих устройств исследователи могут использовать различные методы поверхностной химии для выполнения различных функций, создавая уникальные устройства типа «лаборатория на чипе» для быстрого параллельного тестирования. PDMS может образовывать сшитые сети и широко используется для изучения эластичности полимерных сетей. PDMS может быть непосредственно структурирован с помощью литографии поверхностного заряда. PDMS используется при создании синтетических адгезивных материалов, имитирующих адгезию гекона, но пока только в лабораторных масштабах. Некоторые исследователи в области гибкой электроники используют PDMS из-за его низкой стоимости, простоты изготовления, гибкости и оптической прозрачности. Однако для флуоресцентной микроскопии на разных длинах волн PDMS демонстрирует наименьшую автофлуоресценцию и сопоставим по характеристикам со стеклом BoroFloat.
Стереолитография
При 3D-печати стереолитографией (SLA) свет проецируется на фотополимерную смолу для выборочного отверждения. Некоторые типы SLA-принтеров осуществляют отверждение снизу резервуара со смолой, и поэтому требуют отделения растущей модели от основания для обеспечения каждого напечатанного слоя свежим слоем неотвержденной смолы. Слой PDMS на дне резервуара облегчает этот процесс, поглощая кислород: присутствие кислорода вблизи смолы предотвращает её прилипание к PDMS, а оптически прозрачный PDMS позволяет проецируемому изображению проходить сквозь смолу без искажений.
Медицинские и косметические средства
Активированный диметикон, смесь полидиметилсилоксанов и диоксида кремния (иногда называемый симетиконом), часто используется в безрецептурных препаратах в качестве антипенного агента и карминативного средства. PDMS также действует как увлажняющее средство, которое легче и более воздухопроницаемо, чем обычные масла. Силиконовые грудные имплантаты изготавливаются из эластомерной оболочки PDMS, в которую добавляется дымная аморфная кремнеземная пыль, содержащей PDMS гель или солевой раствор. Использование PDMS в производстве контактных линз было запатентовано (позже патент был отозван).
Кожа
ПДМС также широко используется в косметической и индустрии потребительских товаров. Например, диметикон широко применяется в лосьонах для увлажнения кожи, где он указан в качестве активного ингредиента с целью "защиты кожи". В некоторых косметических составах диметикон и родственные полимеры силоксана используются в концентрациях до 15%. Экспертная группа Cosmetic Ingredient Review (CIR) заключила, что диметикон и связанные с ним полимеры "безопасны в составе косметических средств".
Волосы
Соединения PDMS, такие как амодиметикон, эффективно кондиционируют волосы при условии, что они состоят из мелких частиц и растворимы в воде или спирте, либо действуют как поверхностно-активные вещества (особенно для поврежденных волос). Они кондиционируют волосы даже лучше, чем обычный диметикон и/или диметиконовые кополиолы.
Контактные линзы
Предлагаемое применение PDMS – очистка контактных линз. Его физические свойства, такие как низкий модуль упругости и гидрофобность, позволяют более эффективно удалять микро- и нанозагрязнители с поверхности контактных линз, чем с помощью многофункциональных растворов и механического трения; исследователи, разработавшие эту методику, назвали её PoPPR (удаление загрязнений полимером на полимерной основе) и отмечают её высокую эффективность в удалении нанопластика, прилипшего к линзам.
Как противопаразитарное средство
PDMS эффективен для лечения вшей у людей. Считается, что это связано не с удушением (или отравлением), а с блокированием выведения воды, что приводит к гибели насекомых от физиологического стресса либо из-за продолжительной иммобилизации, либо из-за нарушения работы внутренних органов, таких как кишечник. Диметикон является активным ингредиентом в антиблошином препарате для кошек, который оказался столь же эффективным, как и широко используемый, но более токсичный спрей пирипроксифен/перметрин. Паразит оказывается захваченным и обездвиженным в веществе, что подавляет появление взрослых блох более трех недель.
Продукты питания
PDMS добавляется во многие растительные масла (в качестве пеногасителя) для предотвращения разбрызгивания масла при приготовлении пищи. В результате этого, следовые количества PDMS могут содержаться во многих продуктах быстрого питания, таких как куриные наггетсы McDonald's, картофель фри, драники, молочные коктейли и смузи, а также картофель фри Wendy's. Согласно европейским нормам, он зарегистрирован как пищевая добавка E900.
Мазь для презервативов
ПДМС широко используется в качестве смазки для презервативов.
Домашнее и нишевое использование
Многие люди косвенно знакомы с PDMS, поскольку он является важным компонентом Silly Putty, которому PDMS придает его характерные вязкоупругие свойства. Еще одна игрушка, в которой используется PDMS, – это кинетический песок. Также хорошо известны резиновые, пахнущие уксусом силиконовые герметики, клеи и герметики для аквариумов. PDMS также используется в качестве компонента силиконовой смазки и других смазочных материалов на основе силиконов, а также в пеногасителях, разделительных смазках для форм, демпфирующих жидкостях, теплоносителях, полиролях, косметике, кондиционерах для волос и в других областях применения. Его можно использовать в качестве сорбента для анализа газовой фазы (анализа растворенных газов) пищевых продуктов.
Отношения с безопасностью и окружающей средой
Согласно энциклопедии Ульмана по промышленной химии, для силоксанов не отмечено "значительных вредных воздействий на организмы в окружающей среде". PDMS не подвергается биоразложению, но абсорбируется на очистных сооружениях сточных вод. Его разложение катализируется различными видами глин.