Silikona plastmasas ražošanas process un tā pielietojums tehnoloģiskos pielietojumos
Silikons — precīzāk, silikona elastomērs vai silikona gumija — ikdienā bieži tiek saukts par “silikona plastmasu”. Šis materiāls atšķiras no parastajām uz naftas bāzes veidotajām plastmasām, piemēram, PE, PP vai PVC, jo tā polimēra pamatsastāvs sastāv no siloksāna (Si–O–Si) saitēm, nevis oglekļa (C–C). Šī unikālā struktūra padara silikonu pazīstamu ar tā karstumizturību, elastību, relatīvo ķīmisko inerci un stabilitāti plašā temperatūras diapazonā. Nav pārsteigums, ka silikons ir izšķirošs materiāls plašā mūsdienu tehnoloģiju pielietojumu klāstā, sākot no medicīnas ierīcēm un elektronikas līdz automobiļu un enerģētikas nozarei.
Šajā rakstā īsi, bet vispusīgi aplūkots silikona plastmasas ražošanas process un tās pielietojums tehnoloģiskos pielietojumos.
Sākot no
1. Kas ir silikona plastmasa?
“Silikona plastmasa” parasti attiecas uz silikona polimēru saimi, konkrēti, polidimetilsiloksānu (PDMS) un tā atvasinājumiem. Galīgā forma var būt:
– Elastīgs elastomērs (silikona gumija), kas var atgriezties sākotnējā formā
– Cietāka un karstumizturīgāka silikona sveķu masa
– Silikona gels amortizācijai vai vibrācijas slāpēšanai
– Silikona šķidrums (silikona eļļa) smērvielām, dielektriskiem šķidrumiem utt.
Visplašāk “silikona plastmasas” izstrādājumos tiek izmantota silikona gumija, kas tiek veidota vulkanizācijas/sacietēšanas procesā.
Sākot no
2. Izejvielas un sākotnējie posmi: no silīcija dioksīda līdz silīcijam
Lai gan to sauc par "silīciju", izejviela ir silīcija dioksīds (SiO₂), kas ir bagātīgi atrodams kvarca smiltīs. Rūpnieciski sākotnējais process ietver:
1. Silīcija dioksīda reducēšana līdz metalurģiskajam silīcijam (Si)
Silīcija dioksīds tiek reducēts, izmantojot ogli (piemēram, koksu) elektriskā krāsnī augstā temperatūrā. Iegūtais silīcijs ir rūpnieciski tīrs (metalurģiskas kvalitātes silīcijs), ko pēc tam tālāk apstrādā silīcija ķīmijas vajadzībām.
2. Hlorosilānu veidošanās
Silīcijs reaģē ar metilhlorīdu (CH₃Cl) virs vara katalizatora, veidojot hlorsilāna maisījumu, piemēram, dimetildihlorsilānu (CH₃)₂SiCl₂, kas ir galvenais PDMS prekursors. Šis solis bieži tiek saistīts ar labi zināmu liela mēroga rūpniecisku procesu silīcija ķīmijā.
3. Destilācija un attīrīšana
Hlorsilāna maisījumu atdala destilējot, lai iegūtu vēlamās frakcijas. Attīrīšana ir svarīga, jo tā ietekmē gala produkta konsistenci, reaktivitāti un īpašības.
Sākot no
3. Hidrolīze un siloksāna ķēdes veidošanās
Nākamajā solī hlorosilāns tiek pārveidots par siloksāna pamatelementiem:
1. Hlorosilāna hidrolīze
Dimetildihlorsilāns tiek hidrolizēts ar ūdeni, aizvietojot hlorīda grupu ar hidroksilgrupu (–OH), veidojot silanolu un blakusproduktu HCl. Šis silanols ir ļoti reaģētspējīgs un viegli kondensējas.
2. Kondensācija siloksānā (Si–O–Si)
Pēc tam silanola molekulas kondensējas viena ar otru, atbrīvojot ūdeni un veidojot siloksāna saites. Tā rezultātā rodas silīcija oligomēru un polimēru maisījums.
3. Polimerizācija un ķēdes garuma regulēšana
Ar katalizatora (skābes vai bāzes) palīdzību un reakcijas apstākļu kontroli ražotāji regulē:
– Polimēra ķēdes garums (ietekmē viskozitāti un elastību)
– Molekulmasas sadalījums
– Sānu grupas veids (piemēram, metils, vinils, fenils), lai pielāgotu tādas īpašības kā izturība pret zemu temperatūru, izturība pret UV starojumu vai saderība ar noteiktām piedevām.
Šī posma svarīgais rezultāts ir silikona gumija (viskoelastīgais polimērs) jeb silikona šķidrums, kas pēc tam tiek formulēts procesam gatavā “silikona plastmasā”.
Sākot no
4. Formulēšana: Polimēru pārveidošana par lietošanai gataviem materiāliem
Bāzes silikona polimērus reti izmanto bez piedevām. Formulēšanas posmā ražotāji sajauc:
– Pildviela (parasti kūpināts silīcija dioksīds), lai palielinātu stiepes izturību, plīsuma izturību un izmēru stabilitāti
– Pigmenti krāsošanai
– Plastifikators vai modifikators noteiktai cietībai
– Karstumizturīga/UV izturīga piedeva ekstremāliem lietošanas apstākļiem
– Liesmas slāpētājs noteiktām elektroniskām/automobiļu lietojumprogrammām
– Katalizators un šķērssaistītājs sacietēšanas procesam
Formula nosaka, vai silikons būs ļoti mīksts (ar zemu šora cietību), vidējs vai pietiekami ciets konkrētam konstrukcijas komponentam.
Sākot no
5. Sacietēšanas process: cietas “silikona plastmasas” atslēga
Lai silikons no gumijas/želejveida materiāla pārveidotos par stabilu cietu elastomēru, tam jāveic šķērssaistīšana. Ir vairākas galvenās metodes:
a) Peroksīda sacietēšana
Izmantojot peroksīda iniciatoru, kas ģenerē brīvos radikāļus šķērssaišu veidošanai. Šī metode:
– Piemērots daudziem izplatītiem lietojumiem
– Parasti nepieciešama augstāka temperatūra
– Var atstāt noteiktas atliekas, kas jāņem vērā jutīgos lietojumos (piemēram, medicīnā/pārtikā)
b) Papildu sacietēšana (platīna katalizēta)
Bieži saukta par LSR (šķidrā silikona gumijas) sistēmu vai pievienošanas sacietēšanu:
– Izmantojot platīna katalizatoru un pievienošanas reakciju uz vinila/ūdeņraža-siloksāna grupu
– Minimāli blakusprodukti
– Rezultāti ir ļoti tīri, stabili un plaši izmantoti medicīnā, bērnu aprūpē un precīzijas elektronikā.
c) Kondensācijas sacietēšana (RTV – vulkanizācija istabas temperatūrā)
RTV silikons var sacietēt istabas temperatūrā:
– Praktiska hermētiķiem, līmēm, podiem
– Rodas blakusprodukti (atkarībā no sistēmas), un sacietēšanas ātrumu ietekmē mitrums.
Sākot no
6. Produkta veidošana: no formēšanas līdz pārklāšanai
Pēc formulas izstrādes un sacietēšanas sistēmas noteikšanas silikons tiek veidots produktos, izmantojot dažādas metodes:
– Iesmidzināšanas formēšana (īpaši LSR): augsta precizitāte maziem, sarežģītiem komponentiem, piemēram, blīvēm, pogām, savienotājiem
– Kompresijas formēšana: izplatīta blīvēm, silikona loksnēm, biezākām detaļām
– Ekstrūzija: šļūteņu, gumijas profilu, kabeļu izolācijas izgatavošana
– Pārklāšana un impregnēšana: auduma/šķiedras pārklājums ūdens un karstumizturībai
– Iesaiņošana/kapsulēšana: šķidra silikona ieliešana elektronisko shēmu aizsardzībai
Galīgo kvalitāti (nodilumu, saraušanos, izturību un virsmas detaļas) nosaka tādu parametru kā temperatūra, spiediens, sacietēšanas laiks un veidnes konstrukcijas kontrole.
Sākot no
7. Silīcija pielietojums tehnoloģiju pielietojumos
Silikona priekšrocības ir tā temperatūras izturības, elektriskās izolācijas, elastības un laikapstākļu izturības apvienojums. Šeit ir daži no tā ievērojamākajiem tehnoloģiskajiem pielietojumiem:
1) Elektronika un elektrība
Silikons tiek plaši izmantots kā:
– Kabeļa izolators un aizsargapvalks, jo tas ir karstumizturīgs un elastīgs
– Blīves un blīves, lai novērstu putekļu/ūdens iekļūšanu ierīcē
– Hermētiķis PCB aizsardzībai pret vibrāciju, mitrumu un elektrisko spriegumu.
– Daži uz silīcija bāzes veidoti termiskās saskarnes materiāli (TIM), kas veicina siltuma pārnesi no barošanas komponentiem
2) Medicīnas tehnoloģijas un valkājamās ierīces
Silikons ir vēlams tā relatīvi labās bioloģiskās saderības un komforta dēļ:
– Medicīnas ierīču šļūtenes un komponenti
– Zīmogs uz medicīnas ierīcēm
– Valkājamās detaļas, kas nonāk saskarē ar ādu (siksnas, blīves), jo tās ir mīkstas un izturīgas pret sviedriem
3) Automobiļu un transporta nozare
Transportlīdzekļos silikonu izmanto šādiem mērķiem:
– Šļūtenes un blīves, kas darbojas augstā dzinēja temperatūrā
– Blīve, lai novērstu šķidruma noplūdi
– Dažas vibrācijas slāpēšanas sastāvdaļas
– Aizsargā elektriskos savienotājus no ūdens un sāls (korozijas)
4) Ekstrēma enerģija un vide
Tā kā tas ir UV staru un laikapstākļu izturīgs:
– Saules paneļu un sadales kārbu blīvējumi
– Izolatori un pārklājumi āra elektrosistēmās
– Sastāvdaļas, kurām nepieciešama stabilitāte augstā/zemā temperatūrā
5) Ražošanas un prototipu veidošanas tehnoloģija
Pētniecībā un attīstībā PDMS ir populāra:
– Elastīgas veidnes, šabloni un instrumenti
– Elastomēru komponentu prototips
– Mikrofluidikas pielietojumi tehnoloģiju laboratorijās, jo tie ir caurspīdīgi un viegli veidojami (pētniecības vajadzībām)
Sākot no
8. Priekšrocības un izaicinājumi
Galvenās priekšrocības:
– Plašs darba temperatūras diapazons, saglabā elastību ekstremālos apstākļos
– Izturīgs pret UV starojumu, ozonu un laikapstākļiem
– Laba elektriskā izolācija
– Var formulēt no ļoti mīksta līdz relatīvi cietam
Tantangan:
– Dažiem silikona veidiem ir zemāka nodilumizturība nekā noteiktām gumijām.
– Lai nodrošinātu saķeri ar noteiktiem materiāliem, ir nepieciešama īpaša gruntskrāsa vai līmes sistēma.
– Apstrāde un katalizatori (piemēram, platīns) var palielināt izmaksas.
– Silikona pārstrāde ir sarežģītāka nekā dažu termoplastu pārstrāde, tāpēc tai nepieciešama atbilstoša atkritumu apsaimniekošanas stratēģija.
Sākot no
Pennutup
“Silikona plastmasas” ražošanas process ietver unikālu ķīmisko un ražošanas posmu ķēdi: no silīcija dioksīda līdz silīcijam, pēc tam līdz hlorosilānam, hidrolizējot un kondensējot siloksāna ķēdēs, formulējot ar pildvielām un piedevām, un sacietējot, lai izveidotu stabilu elastomēru. Spēcīgās Si-O struktūras un formulas elastības kombinācija padara silikonus par izšķirošiem mūsdienu tehnoloģijās — no elektronikas līdz medicīnai, autobūvei un enerģētikai.
Ja vēlaties, varu pielāgot šo rakstu tehniskākā versijā (ar ķīmiskajām reakcijām un procesa parametriem) vai studentiem draudzīgākā versijā, iekļaujot ikdienas produktu piemērus un galveno punktu kopsavilkumu.
