Процес на производство на силиконска пластика и негова употреба во технолошки апликации
Силиконот - поточно, силиконски еластомер или силиконска гума - често се нарекува „силиконска пластика“ во секојдневната употреба. Овој материјал се разликува од конвенционалните пластики на база на нафта, како што се PE, PP или PVC, бидејќи неговиот полимерен 'рбет е составен од силоксански (Si–O–Si) врски, наместо од јаглеродни (C–C). Оваа уникатна структура го прави силиконот познат по својата отпорност на топлина, флексибилност, релативна хемиска инертност и стабилност во широк температурен опсег. Не е изненадување што силиконот е клучен материјал во широк спектар на современи технолошки апликации, од медицински уреди и електроника до автомобилска индустрија и енергетика.
Оваа статија накратко, но сеопфатно, го разгледува процесот на производство на силиконска пластика и неговата употреба во технолошките апликации.
-
1. Што е силиконска пластика?
„Силиконска пластика“ генерално се однесува на семејството силиконски полимери, поточно полидиметилсилоксан (PDMS) и неговите деривати. Конечната форма може да биде:
– Флексибилен еластомер (силиконска гума) кој може да се врати во првобитната форма
– Потврда и отпорна на топлина силиконска смола
– Силиконски гел за амортизација или пригушување на вибрации
– Силиконска течност (силиконско масло) за мазива, диелектрични течности итн.
Најшироко користена во производите од „силиконска пластика“ е силиконската гума, која се формира преку процес на вулканизација/стврднување.
-
2. Суровини и почетни фази: Од силициум до силициум
Иако се нарекува „силициум“, почетниот материјал е силициум диоксид (SiO₂), кој го има во изобилство во кварцен песок. Индустриски, почетниот процес вклучува:
1. Редукција на силициум диоксид во металуршки силициум (Si)
Силициумот се редуцира со употреба на јаглерод (на пр., кокс) во електрична печка на високи температури. Добиениот силициум е индустриски чист (силициум од металуршки квалитет), кој потоа дополнително се обработува за хемиски цели на силициумот.
2. Формирање на хлоросилани
Силициумот реагира со метил хлорид (CH₃Cl) преку катализатор на база на бакар за да се произведе мешавина од хлоросилан, како што е диметилдихлоросилан (CH₃)₂SiCl₂, кој е примарен претходник на PDMS. Овој чекор често се поврзува со добро познат индустриски процес од големи размери во хемијата на силициумот.
3. Дестилација и прочистување
Хлоросиланската смеса се одвојува со дестилација за да се добијат посакуваните фракции. Прочистувањето е важно бидејќи влијае на конзистенцијата, реактивноста и својствата на финалниот материјал.
-
3. Хидролиза и формирање на силоксански синџири
Следниот чекор го претвора хлоросиланот во градежни блокови од силоксан:
1. Хидролиза на хлоросилан
Диметилдихлоросиланот се хидролизира со вода, заменувајќи ја хлоридната група со хидроксилна група (–OH), произведувајќи силанол и нуспроизвод HCl. Овој силанол е многу реактивен и лесно се кондензира.
2. Кондензација во силоксан (Si–O–Si)
Потоа, молекулите на силанол кондензираат едни со други, ослободувајќи вода и формирајќи силоксански врски. Ова резултира со мешавина од силициумски олигомери и полимери.
3. Полимеризација и регулирање на должината на ланецот
Со катализатор (киселина или база) и контрола на условите на реакција, производителите регулираат:
– Должина на полимерниот ланец (влијае на вискозитетот и еластичноста)
– Распределба на молекуларна тежина
– Тип на странична група (на пр. метил, винил, фенил) за прилагодување на својства како што се отпорност на ниски температури, отпорност на УВ зрачење или компатибилност со одредени адитиви.
Важниот резултат од оваа фаза е силиконска гума (вискоеластичен полимер) или силиконска течност, која потоа се формулира во „силиконска пластика“ подготвена за процесирање.
-
4. Формулација: Претворање на полимери во материјали готови за употреба
Основните силиконски полимери ретко се користат без адитиви. За време на фазата на формулација, производителите мешаат:
– Полнење (обично чаден силициум диоксид) за зголемување на затегнувачката цврстина, отпорноста на кинење и димензионалната стабилност
– Пигменти за боја
– Пластификатор или модификатор за одредена тврдост
– Додаток отпорен на топлина/УВ зрачење за екстремна употреба.
– Средство за забавување на пламенот за одредени електронски/автомобилски апликации
– Катализатор и средство за вкрстување за процес на стврднување
Формулацијата одредува дали силиконот ќе биде многу мек (низок брег), среден или доволно тврд за одредена структурна компонента.
-
5. Процес на стврднување: Клучот за цврста „силиконска пластика“
За да се трансформира од материјал сличен на гума/гел во стабилен цврст еластомер, силиконот мора да се подложи на вкрстено поврзување. Постојат неколку главни методи:
а) Стврднување со пероксид
Користење на пероксиден иницијатор кој генерира слободни радикали за да формира вкрстени врски. Овој метод:
– Погодно за многу вообичаени апликации
– Генерално потребни се повисоки температури
– Може да остави одредени остатоци што треба да се земат предвид за чувствителни апликации (на пр. медицински/прехранбен квалитет)
б) Додавање на стврднување (катализирано со платина)
Честопати наречен LSR (течен силиконски гумен) систем или дополнително стврднување:
– Користење на платински катализатор и реакција на адиција на винил/водород-силоксанска група
– Минимални нуспроизводи
– Резултатите се многу чисти, стабилни и широко користени за медицинска, бебешка нега и прецизна електроника.
в) Кондензациско стврднување (RTV – вулканизирање на собна температура)
RTV силиконот може да се стврдне на собна температура:
– Практично за заптивни маси, лепила, саксии
– Произведува нуспроизводи (во зависност од системот), а брзината на стврднување е под влијание на влажноста.
-
6. Формирање на производ: Од обликување до премачкување
По формулирањето и одредувањето на системот за стврднување, силиконот се обликува во производи преку различни методи:
– Инјектирање во облик (особено LSR): висока прецизност за мали, сложени компоненти како што се заптивки, копчиња, конектори
– Компресионо лиење: вообичаено за дихтунзи, силиконски плочи, подебели компоненти
– Екструзија: изработка на црева, гумени профили, изолација на кабли
– Обложување и импрегнација: обложување на ткаенина/влакна за отпорност на вода и топлина
– Поставување/енкапсулирање: истурање течен силикон за заштита на електронските кола
Контролата на параметри како што се температура, притисок, време на стврднување и дизајн на калапот го одредува конечниот квалитет (блесок, собирање, цврстина и детали на површината).
-
7. Употреба на силициум во технолошки апликации
Предностите на силиконот лежат во неговата комбинација од отпорност на температура, електрична изолација, еластичност и отпорност на временски услови. Еве некои од неговите истакнати технолошки примени:
1) Електроника и електрична енергија
Силиконот е широко користен како:
– Изолатор за кабел и заштитна обвивка бидејќи е отпорен на топлина и флексибилен
– Заптивки и дихтунзи за да се спречи влегување на прашина/вода во уредот
– Смеса за потопување за заштита на печатената плочка од вибрации, влажност и електричен напон.
– Одредени материјали за термички интерфејс (TIM) на база на силициум за да се помогне преносот на топлина од компонентите за напојување
2) Медицинска технологија и носиви уреди
Силиконот е попосакуван поради неговата релативно добра биокомпатибилност и удобност:
– Црева и компоненти за медицински помагала
– Запечатување на медицински помагала
– Носиви компоненти што доаѓаат во контакт со кожата (ремени, дихтунзи), бидејќи се меки и отпорни на потење
3) Автомобилска индустрија и транспорт
Во возилата, силиконот се користи за:
– Црева и заптивки кои работат на високи температури на моторот
– Дихтунг за спречување на истекување на течности
– Одредени компоненти за амортизација на вибрации
– Ги штити електричните конектори од вода и сол (корозија)
4) Екстремна енергија и животна средина
Бидејќи е отпорен на УВ зрачење и временски услови:
– Заптивки на соларни панели и разводни кутии
– Изолатори и премази во надворешни електрични системи
– Компоненти на кои им е потребна стабилност на високи/ниски температури
5) Технологија на производство и прототипирање
Во истражувањето и развојот, PDMS е популарен за:
– Флексибилни калапи, држачи и алатки
– Прототип на еластомерни компоненти
– Примени на микрофлуидика во технолошки лаборатории, бидејќи се транспарентни и лесни за обликување (за истражувачки потреби)
-
8. Предности и предизвици
Главни предности:
– Широк работен температурен опсег, останува еластичен под екстремни услови
– Отпорен на УВ зрачење, озон и временски услови
– Добра електрична изолација
– Може да се формулира од многу мек до релативно тврд
Тантанган:
– Некои видови силикон имаат помала отпорност на абење од одредени гуми.
– Лепливоста на одредени материјали бара посебен прајмер или систем на лепила.
– Преработката и катализаторите (на пр. платина) можат да ги зголемат трошоците
– Рециклирањето на силиконот е потешко од некои термопластични материјали, па затоа бара соодветна стратегија за управување со отпад.
-
Затворање
Процесот на производство на „силиконска пластика“ вклучува уникатен синџир на хемиски и производствени чекори: од силициум диоксид до силициум, потоа до хлоросилан, хидролизиран и кондензиран во силоксански синџири, формулиран со полнила и адитиви и стврднат за да формира стабилен еластомер. Комбинацијата од силната Si-O структура и флексибилноста на формулацијата ги прави силиконите клучни во модерната технологија - од електроника до медицина, автомобилска индустрија и енергија.
Ако сакате, можам да го адаптам овој напис во потехничка верзија (со хемиски реакции и процесни параметри) или верзија попријателска за студентите, комплетна со примери од секојдневни производи и резиме на клучните точки.
