กระบวนการผลิตพลาสติกซิลิโคนและการนำไปใช้งานในด้านเทคโนโลยี

กระบวนการผลิตพลาสติกซิลิโคนและการนำไปใช้งานในด้านเทคโนโลยี

ซิลิโคน—หรือที่ถูกต้องกว่าคือ ซิลิโคนอีลาสโตเมอร์ หรือซิลิโคนยาง—มักถูกเรียกว่า “พลาสติกซิลิโคน” ในการใช้งานทั่วไป วัสดุนี้แตกต่างจากพลาสติกที่ผลิตจากปิโตรเลียมทั่วไป เช่น PE, PP หรือ PVC เนื่องจากโครงสร้างพอลิเมอร์หลักของมันประกอบด้วยพันธะซิโลเซน (Si–O–Si) แทนที่จะเป็นคาร์บอน (C–C) โครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์นี้ทำให้ซิลิโคนเป็นที่รู้จักในด้านความทนทานต่อความร้อน ความยืดหยุ่น ความเฉื่อยทางเคมี และความเสถียรในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง จึงไม่น่าแปลกใจที่ซิลิโคนเป็นวัสดุสำคัญในแอปพลิเคชันเทคโนโลยีสมัยใหม่มากมาย ตั้งแต่อุปกรณ์ทางการแพทย์และอิเล็กทรอนิกส์ไปจนถึงยานยนต์และพลังงาน

บทความนี้กล่าวถึงกระบวนการผลิตพลาสติกซิลิโคนและการนำไปใช้งานในด้านเทคโนโลยีอย่างกระชับแต่ครอบคลุม

-

1. พลาสติกซิลิโคนคืออะไร?

“พลาสติกซิลิโคน” โดยทั่วไปหมายถึงกลุ่มของพอลิเมอร์ซิลิโคน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โพลีไดเมทิลไซลอกเซน (PDMS) และอนุพันธ์ของมัน รูปทรงสุดท้ายอาจเป็นดังนี้:

– วัสดุอีลาสโตเมอร์ที่มีความยืดหยุ่น (ยางซิลิโคน) ที่สามารถกลับคืนสู่รูปทรงเดิมได้
– ซิลิโคนเรซินที่แข็งและทนความร้อนสูง
– เจลซิลิโคนสำหรับงานรองรับแรงกระแทกหรือลดแรงสั่นสะเทือน
– ของเหลวซิลิโคน (น้ำมันซิลิโคน) สำหรับใช้เป็นสารหล่อลื่น ของเหลวฉนวนไฟฟ้า ฯลฯ

วัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในผลิตภัณฑ์ "พลาสติกซิลิโคน" คือ ยางซิลิโคน ซึ่งผลิตขึ้นผ่านกระบวนการวัลคาไนเซชัน/การบ่ม

-

2. วัตถุดิบและขั้นตอนเริ่มต้น: จากซิลิกาถึงซิลิคอน

แม้จะเรียกว่า "ซิลิคอน" แต่สารตั้งต้นคือซิลิกา (SiO₂) ซึ่งมีอยู่มากมายในทรายควอตซ์ ในทางอุตสาหกรรม กระบวนการเริ่มต้นประกอบด้วย:

1. การลดซิลิกาให้เป็นซิลิคอน (Si) สำหรับงานโลหะวิทยา
ซิลิกาถูกรีดิวซ์โดยใช้คาร์บอน (เช่น โค้ก) ในเตาไฟฟ้าที่อุณหภูมิสูง ซิลิคอนที่ได้จะมีคุณภาพบริสุทธิ์ในระดับอุตสาหกรรม (ซิลิคอนเกรดโลหะวิทยา) ซึ่งจะถูกนำไปแปรรูปเพิ่มเติมเพื่อใช้ในทางเคมีของซิลิคอนต่อไป

2. การก่อตัวของคลอโรซิเลน
ซิลิคอนทำปฏิกิริยากับเมทิลคลอไรด์ (CH₃Cl) โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีทองแดงเป็นองค์ประกอบ เพื่อผลิตสารผสมของคลอโรซิเลน เช่น ไดเมทิลไดคลอโรซิเลน (CH₃)₂SiCl₂ ซึ่งเป็นสารตั้งต้นหลักของ PDMS ขั้นตอนนี้มักเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ที่เป็นที่รู้จักกันดีในเคมีของซิลิคอน

3. การกลั่นและการทำให้บริสุทธิ์
ส่วนผสมของคลอโรซิเลนจะถูกแยกโดยการกลั่นเพื่อให้ได้ส่วนประกอบที่ต้องการ การทำให้บริสุทธิ์มีความสำคัญเพราะส่งผลต่อความสม่ำเสมอ ปฏิกิริยา และคุณสมบัติของวัสดุสุดท้าย

-

3. การไฮโดรไลซิสและการสร้างสายโซ่ซิลิออกเซน

ขั้นตอนต่อไปคือการเปลี่ยนคลอโรซิเลนให้เป็นหน่วยโครงสร้างของซิล็อกเซน:

1. การไฮโดรไลซิสของคลอโรซิเลน
ไดเมทิลไดคลอโรซิเลนจะถูกไฮโดรไลซ์ด้วยน้ำ โดยแทนที่หมู่คลอไรด์ด้วยหมู่ไฮดรอกซิล (–OH) ทำให้เกิดซิลาโนลและไฮโดรคลอไรด์เป็นผลพลอยได้ ซิลาโนลนี้มีความไวต่อปฏิกิริยาสูงและเกิดการควบแน่นได้ง่าย

2. การควบแน่นกลายเป็นซิลิออกเซน (Si–O–Si)
จากนั้นโมเลกุลซิลาโนลจะควบแน่นเข้าด้วยกัน ปล่อยน้ำออกมา และเกิดเป็นพันธะซิโลเซน ส่งผลให้เกิดส่วนผสมของโอลิโกเมอร์และพอลิเมอร์ของซิลิคอน

3. การเกิดพอลิเมอร์และการควบคุมความยาวโซ่
ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา (กรดหรือเบส) และการควบคุมสภาวะการเกิดปฏิกิริยา ผู้ผลิตสามารถควบคุมสิ่งต่างๆ ได้ดังนี้:
– ความยาวของโซ่พอลิเมอร์ (ส่งผลต่อความหนืดและความยืดหยุ่น)
– การกระจายน้ำหนักโมเลกุล
– ชนิดของหมู่ข้างเคียง (เช่น เมทิล ไวนิล ฟีนิล) เพื่อปรับคุณสมบัติ เช่น ความทนทานต่ออุณหภูมิต่ำ ความทนทานต่อรังสี UV หรือความเข้ากันได้กับสารเติมแต่งบางชนิด

ผลลัพธ์ที่สำคัญของขั้นตอนนี้คือ ยางซิลิโคน (พอลิเมอร์ที่มีคุณสมบัติยืดหยุ่น) หรือของเหลวซิลิโคน ซึ่งจะถูกนำไปผสมให้เป็น "พลาสติกซิลิโคน" ที่พร้อมใช้งานในกระบวนการผลิตต่อไป

-

4. การเตรียมสูตร: การแปลงโพลิเมอร์ให้เป็นวัสดุพร้อมใช้งาน

โดยทั่วไปแล้วโพลิเมอร์ซิลิโคนพื้นฐานมักไม่ถูกนำมาใช้โดยปราศจากสารเติมแต่ง ในขั้นตอนการผลิต ผู้ผลิตจะผสมสารต่างๆ ดังนี้:

– สารเติมแต่ง (โดยทั่วไปคือซิลิกาฟูม) เพื่อเพิ่มความแข็งแรงต่อแรงดึง ความต้านทานต่อการฉีกขาด และความคงตัวของขนาด
– เม็ดสีสำหรับแต่งสี
– สารเพิ่มความยืดหยุ่นหรือสารปรับความแข็งเพื่อให้ได้คุณสมบัติที่ต้องการ
– สารเติมแต่งทนความร้อน/รังสียูวี สำหรับการใช้งานในสภาวะสุดขั้ว
– สารหน่วงไฟสำหรับงานด้านอิเล็กทรอนิกส์/ยานยนต์บางประเภท
– ตัวเร่งปฏิกิริยาและสารเชื่อมโยงสำหรับกระบวนการบ่ม

สูตรการผลิตจะเป็นตัวกำหนดว่าซิลิโคนจะมีความนุ่มมาก (ค่า Shore ต่ำ) ปานกลาง หรือแข็งเพียงพอสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างเฉพาะนั้นๆ

-

5. กระบวนการอบแห้ง: กุญแจสำคัญสู่ "พลาสติกซิลิโคน" ที่แข็งแรงทนทาน

ในการเปลี่ยนจากวัสดุที่มีลักษณะคล้ายยาง/เจลไปเป็นอีลาสโตเมอร์แข็งที่เสถียร ซิลิโคนต้องผ่านกระบวนการเชื่อมโยงโมเลกุล ซึ่งมีวิธีการหลักอยู่หลายวิธี:

ก) การบ่มด้วยเปอร์ออกไซด์
โดยใช้สารเริ่มต้นที่เป็นเปอร์ออกไซด์ซึ่งสร้างอนุมูลอิสระเพื่อสร้างพันธะเชื่อมโยง วิธีนี้:
– เหมาะสำหรับงานทั่วไปหลายประเภท
– โดยทั่วไปแล้วต้องใช้อุณหภูมิที่สูงกว่า
– อาจทิ้งสารตกค้างบางอย่างที่ต้องพิจารณาสำหรับการใช้งานที่ต้องการความไวสูง (เช่น การใช้งานทางการแพทย์/ด้านอาหาร)

ข) การบ่มแบบเติม (โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม)
มักเรียกว่าระบบ LSR (Liquid Silicone Rubber) หรือการบ่มแบบเติม:
– การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมและปฏิกิริยาการเติมบนหมู่ไวนิล/ไฮโดรเจนซิลิออกเซน
– ผลพลอยได้น้อยที่สุด
– ผลลัพธ์ที่ได้มีความสะอาด เสถียร และถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในด้านการแพทย์ การดูแลเด็ก และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการความแม่นยำสูง

ค) การบ่มด้วยการควบแน่น (RTV – การวัลคาไนซ์ที่อุณหภูมิห้อง)
ซิลิโคน RTV สามารถแข็งตัวได้ที่อุณหภูมิห้อง:
– เหมาะสำหรับใช้กับวัสดุยาแนว กาว และวัสดุหล่อขึ้นรูป
– เกิดสารประกอบข้างเคียง (ขึ้นอยู่กับระบบ) และความเร็วในการบ่มจะได้รับผลกระทบจากความชื้น

-

6. กระบวนการผลิตผลิตภัณฑ์: ตั้งแต่การขึ้นรูปจนถึงการเคลือบ

หลังจากกำหนดสูตรและระบบการบ่มแล้ว ซิลิโคนจะถูกขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ด้วยวิธีการต่างๆ ดังนี้:

– การฉีดขึ้นรูป (โดยเฉพาะ LSR): ให้ความแม่นยำสูงสำหรับชิ้นส่วนขนาดเล็กและซับซ้อน เช่น ซีล ปุ่มกด และตัวเชื่อมต่อ
– การขึ้นรูปด้วยการอัด: นิยมใช้กับปะเก็น แผ่นซิลิโคน และชิ้นส่วนที่มีความหนา
– การอัดขึ้นรูป: การผลิตท่ออ่อน โปรไฟล์ยาง ฉนวนสายเคเบิล
– การเคลือบและการอัดฉีด: การเคลือบผิวผ้า/เส้นใยเพื่อให้ทนต่อน้ำและความร้อน
– การหล่อ/ห่อหุ้ม: การเทซิลิโคนเหลวเพื่อป้องกันวงจรไฟฟ้า

การควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ความดัน เวลาในการอบแห้ง และการออกแบบแม่พิมพ์ จะเป็นตัวกำหนดคุณภาพขั้นสุดท้าย (ครีบระบายความร้อน การหดตัว ความแข็งแรง และรายละเอียดของพื้นผิว)

-

7. การนำซิลิคอนไปใช้ในงานประยุกต์ทางเทคโนโลยี

ข้อดีของซิลิโคนอยู่ที่คุณสมบัติที่รวมกันทั้งทนต่ออุณหภูมิ เป็นฉนวนไฟฟ้า มีความยืดหยุ่น และทนต่อสภาพอากาศ ต่อไปนี้คือตัวอย่างการใช้งานทางเทคโนโลยีที่โดดเด่นบางส่วน:

1) อิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้า
ซิลิโคนมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ ดังนี้:
– ฉนวนสายเคเบิลและปลอกหุ้มป้องกัน เนื่องจากทนความร้อนและมีความยืดหยุ่น
– ซีลและปะเก็นเพื่อป้องกันฝุ่น/น้ำเข้าสู่ตัวเครื่อง
– สารเคลือบเพื่อป้องกันแผงวงจรพิมพ์ (PCB) จากการสั่นสะเทือน ความชื้น และแรงดันไฟฟ้า
– วัสดุเชื่อมต่อความร้อน (TIM) ที่ทำจากซิลิคอนบางชนิด เพื่อช่วยในการถ่ายเทความร้อนจากชิ้นส่วนกำลังไฟฟ้า

2) เทคโนโลยีทางการแพทย์และอุปกรณ์สวมใส่
ซิลิโคนเป็นวัสดุที่นิยมใช้เนื่องจากมีคุณสมบัติเข้ากันได้กับร่างกายค่อนข้างดีและสวมใส่สบาย:
– สายยางและชิ้นส่วนอุปกรณ์ทางการแพทย์
– ตราประทับบนอุปกรณ์ทางการแพทย์
– ชิ้นส่วนที่สวมใส่ได้และสัมผัสกับผิวหนัง (สายรัด ซีลยาง) เนื่องจากมีความนุ่มและทนต่อเหงื่อ

3) ยานยนต์และการขนส่ง
ในยานยนต์ ซิลิโคนถูกนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์ดังต่อไปนี้:
– ท่อและซีลที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิเครื่องยนต์สูง
– ปะเก็นป้องกันการรั่วซึมของของเหลว
– ชิ้นส่วนลดแรงสั่นสะเทือนบางชนิด
– ป้องกันขั้วต่อไฟฟ้าจากน้ำและเกลือ (การกัดกร่อน)

4) พลังงานและสิ่งแวดล้อมขั้นสุดขีด
เนื่องจากทนต่อรังสียูวีและสภาพอากาศ:
– ซีลบนแผงโซลาร์เซลล์และกล่องเชื่อมต่อ
– ฉนวนและสารเคลือบในระบบไฟฟ้าภายนอกอาคาร
– ชิ้นส่วนที่ต้องการความเสถียรในอุณหภูมิสูง/ต่ำ

5) เทคโนโลยีการผลิตและการสร้างต้นแบบ
ในงานวิจัยและพัฒนา PDMS เป็นที่นิยมใช้ในด้านต่างๆ ดังนี้:
– แม่พิมพ์ อุปกรณ์จับยึด และเครื่องมือที่ยืดหยุ่นได้
– ต้นแบบของชิ้นส่วนอีลาสโตเมอร์
– การประยุกต์ใช้ไมโครฟลูอิดิกส์ในห้องปฏิบัติการด้านเทคโนโลยี เนื่องจากมีความโปร่งใสและขึ้นรูปได้ง่าย (เพื่อตอบสนองความต้องการด้านการวิจัย)

-

8. ข้อดีและข้อท้าทาย

ข้อดีหลัก:
– ช่วงอุณหภูมิการทำงานกว้าง และยังคงความยืดหยุ่นได้แม้ในสภาวะสุดขั้ว
– ทนทานต่อรังสียูวี โอโซน และสภาพอากาศ
– ฉนวนไฟฟ้าที่ดี
– สามารถปรับสูตรได้ตั้งแต่แบบนุ่มมากไปจนถึงแบบค่อนข้างแข็ง

Tantangan:
- ซิลิโคนบางชนิดมีความทนทานต่อการเสียดสีต่ำกว่ายางบางประเภท
– การยึดติดกับวัสดุบางชนิดจำเป็นต้องใช้สารรองพื้นหรือระบบกาวชนิดพิเศษ
– กระบวนการผลิตและตัวเร่งปฏิกิริยา (เช่น แพลทินัม) อาจทำให้ต้นทุนสูงขึ้น
– การรีไซเคิลซิลิโคนนั้นมีความท้าทายมากกว่าเทอร์โมพลาสติกบางชนิด ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีกลยุทธ์การจัดการของเสียที่เหมาะสม

-

ปิด

กระบวนการผลิต “พลาสติกซิลิโคน” เกี่ยวข้องกับขั้นตอนทางเคมีและการผลิตที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัว: จากซิลิกาไปเป็นซิลิคอน จากนั้นไปเป็นคลอโรซิเลน ผ่านกระบวนการไฮโดรไลซิสและควบแน่นเป็นโซ่ซิโลเซน ผสมกับสารตัวเติมและสารเสริม และบ่มเพื่อให้ได้อีลาสโตเมอร์ที่เสถียร การผสมผสานระหว่างโครงสร้าง Si–O ที่แข็งแรงและความยืดหยุ่นในการกำหนดสูตร ทำให้ซิลิโคนมีความสำคัญอย่างยิ่งในเทคโนโลยีสมัยใหม่ ตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การแพทย์ ยานยนต์ ไปจนถึงพลังงาน

หากคุณต้องการ ผมสามารถปรับบทความนี้ให้เป็นเวอร์ชันทางเทคนิคมากขึ้น (โดยกล่าวถึงปฏิกิริยาเคมีและพารามิเตอร์ของกระบวนการ) หรือเวอร์ชันที่เข้าใจง่ายสำหรับนักเรียน โดยมีตัวอย่างผลิตภัณฑ์ในชีวิตประจำวันและสรุปประเด็นสำคัญให้ฟังได้ครับ