Силікон: повний посібник з історії, хімії та безпеки

Силікони - це полімери, до складу яких входять будь-які інертні, синтетичний сполука, що складається з повторюваних одиниць силоксану, який є функціональною групою з двох атомів кремнію та одного атома кисню, часто поєднаних з вуглецем та/або воднем. Зазвичай вони термостійкі та схожі на гуму та використовуються в герметиках, клеї, мастильні матеріали, ліки, кухонне начиння, тепло- та електроізоляція.

У цій статті ми розглянемо властивості силікону та процес його виробництва.

Усе, що вам потрібно знати про силікон

Силікон — це полімерний матеріал, що складається з молекул, які називаються силоксанами. Це унікальний матеріал, який складається з кремнію, природного елемента, який міститься в піску та скелях, і кисню. Коли ці два елементи поєднуються, вони утворюють сполуку, яка містить довгі ланцюжки повторюваних мономерів, які з’єднані разом, щоб створити кінцевий продукт.

Як виробляють силікон?

Силікон зазвичай отримують шляхом змішування чистого кремнію з іншими сполуками для створення силіконової суміші. Потім з’єднання проходить низку наукових процесів для створення кінцевого продукту, який складається з довгих ланцюжків повторюваних мономерів. Ці ланцюги з’єднані між собою, щоб створити полімер, який широко відомий як силікон.

Яке основне використання силікону?

Силікон є популярним матеріалом, який використовується у багатьох різних продуктах. Деякі з найпоширеніших застосувань силікону включають:

• Створення герметиків і клеїв, які можна використовувати для склеювання різних матеріалів.
• Виробництво мастильних матеріалів, які можна використовувати для зменшення тертя між рухомими частинами.
• Створення теплової та електричної ізоляції, яка може бути використана для захисту чутливого обладнання від тепла та електрики.
• Виготовлення кухонного посуду та інших кухонних виробів, які не є токсичними та стійкими до нагрівання.
• Створення медичних пристроїв та імплантатів, безпечних та ефективних для пацієнтів.

Яка різниця між силіконом і силіконами?

Силікон — це окремий матеріал, тоді як силікони — це група матеріалів, які складаються з силікону. Силікон зазвичай твердіший і довговічніший, ніж силікон, і зазвичай використовується в продуктах, які вимагають високого рівня якості та ефективності.

Еволюція силікону: від кристалічного кремнію до сучасного виробництва

У 1854 році Генрі Сент-Клер Девіль отримав кристалічний кремній, що стало значним відкриттям у світі матеріалів і сполук. Силіцій — це хімічний елемент із символом Si та атомним номером 14. Це тверда, крихка кристалічна тверда речовина з синьо-сірим металевим блиском, чотиривалентний металоїд і напівпровідник. Кремній є восьмим найпоширенішим елементом у Всесвіті за масою, але він рідко зустрічається в чистому вигляді в природі.

Народження силіконів: дослідження Гайда та іменування Кіппінга

У 1930 році Дж. Ф. Хайд провів перше дослідження з виробництва комерційних силіконів. Пізніше, у 1940 році, англійський хімік Фредеріх Стенлі Кіппінг, використовуючи дослідження Гайда, дав цьому матеріалу назву «силікони», оскільки вони були «липкими сумішами». Кіппінг був піонером у галузі органічної хімії та найбільш відомий своєю роботою з хімії силіконів. Силікони — це група синтетичних полімерів, що складаються з повторюваних одиниць силоксану, який є ланцюгом атомів кремнію та кисню, що чергуються, з органічними групами, приєднаними до атомів кремнію.

Хімія силіконів: структура та полімерні ланцюги

Силікони - це, по суті, полімери з повторюваною одиницею силоксану. Силоксановий блок складається з атома кремнію, приєднаного до двох атомів кисню, які, у свою чергу, приєднані до органічних груп. Органічні групи можуть являти собою метил, етил, феніл або інші групи. Силоксанові ланки можуть бути з'єднані разом для утворення лінійних або розгалужених ланцюгів. Ланцюги також можуть бути зшиті для утворення тривимірної мережі. Отриманий матеріал являє собою силіконовий полімер з різноманітними властивостями.

Сучасне виробництво силіконів: Corning, Dow і Hydrolysis

How to strip wire fast

Share

Watch on

Сучасне виробництво силіконів передбачає різноманітні методи, але найпоширеніший метод заснований на гідролізі сполук кремнію. Сполуки кремнію, такі як тетрахлорид кремнію (SiCl4) або диметилдихлорсилан (CH3)2SiCl2, реагують з водою з утворенням силоксанів. Потім силоксани полімеризуються з утворенням силіконових полімерів. Процес можна проводити з використанням різноманітних каталізаторів, включаючи кислоти, такі як HCl, або основи, такі як NaOH.

Властивості силіконів: міцні, водостійкі та електроізоляційні

Силікони мають широкий діапазон властивостей, залежно від органічних груп, приєднаних до атомів кремнію, і довжини полімерних ланцюгів. Деякі з властивостей силікону включають:

• Сильний і довговічний
• Водостійкий
• Електроізоляційні
• Стійкий до високих і низьких температур
• Хімічно інертний
• Biocompatibl в

Силікони використовуються в широкому діапазоні застосувань, зокрема:

• Герметики та клеї
• Мастила та покриття
• Медичні прилади та імплантати
• Електроізоляція та монтажні плати
• Автомобільні та аерокосмічні компоненти
• Засоби особистої гігієни та косметика

Відмінності між силіконами та іншими полімерами

Силікони відрізняються від інших полімерів кількома параметрами:

• Повторюваною ланкою в силіконах є силоксан, тоді як інші полімери мають інші повторювані ланки.
• Зв’язок кремній-кисень у силоксані міцніший, ніж зв’язок вуглець-вуглець в інших полімерах, що надає силіконам їхні унікальні властивості.
• Силікони більш стійкі до високих і низьких температур, ніж інші полімери.
• Силікон є більш водостійким, ніж інші полімери.

Майбутнє силіконів: передові дослідження та нові продукти

Використання силіконів продовжує зростати, і постійно розробляються нові продукти. Деякі з областей передових досліджень силіконів включають:

• Розробка нових каталізаторів полімеризації силоксанів
• Використання силілацетатів та інших сполук для модифікації властивостей силіконів
• Використання кислотно-лужних каталізованих реакцій для отримання нових типів силіконових полімерів
• Використання силіконових полімерів у формуванні скла та інших матеріалів

Термін «силікони» залишається загальним терміном, який використовується для опису широкого спектру матеріалів на основі силікону, і властивості цих матеріалів продовжують досліджуватися та розумітися.

Від піску до силікону: захоплюючий процес виробництва силікону

Силікон - це полімер, який широко використовується в різних формах і продуктах. Процес досягнення бажаної форми силікону включає низку кроків, які вимагають відповідних матеріалів і будівельних блоків. Ось компоненти та етапи процесу виробництва:

• Кремній. Основним будівельним блоком силікону є кремній, який є одним із найпоширеніших елементів на землі. Його виділяють шляхом подрібнення кварцового піску та підведення до нього тепла, яке досягає температури до 2000 градусів Цельсія.

• Метилхлорид: кремній змішується з метилхлоридом, який широко відомий як хлорметан. Ця реакція виробляє хлорсилан, який є ключовим проміжним продуктом у виробництві силікону.

• Нагрівання: хлорсилан потім нагрівається з утворенням диметилдихлорсилану, який є попередником силікону. Цей процес передбачає нагрівання суміші, яке активує реакцію та видаляє соляну кислоту.

• Переробка полімеру: потім диметилдихлорсилан змішують з водою для утворення полімеру. Цей полімер можна додатково обробляти для отримання різних форм силікону, таких як еластомери, які зазвичай використовуються у виробництві гумових виробів.

Важливість контролю якості у виробництві силікону

Виробництво силікону вимагає високого рівня контролю якості, щоб забезпечити відповідність кінцевого продукту необхідним стандартам. Виробники повинні переконатися, що у процесі виробництва використовуються правильні компоненти та що процес здійснюється за правильних умов. Ось деякі з факторів, які виробники повинні враховувати:

• Температура: виробничий процес вимагає високих температур, що може вплинути на якість кінцевого продукту. Виробники повинні забезпечити ретельний контроль температури, щоб запобігти будь-якому пошкодженню силікону.

• Виділення об’єму: процес виробництва передбачає ізоляцію об’єму реакції, щоб забезпечити утворення потрібної кількості силікону. Це вимагає ретельного спостереження та контролю за реакцією.

• Зшивання: деякі форми силікону потребують зшивання для досягнення бажаних властивостей. Це передбачає з’єднання полімерних ланцюгів разом для створення більш міцного матеріалу.

Поширені форми силікону на ринку

Силікон зазвичай зустрічається в різноманітних продуктах, від кухонного посуду до медичних приладів. Ось деякі з найпоширеніших форм силікону на ринку:

• Силікон низької щільності: цей тип силікону зазвичай використовується у виробництві герметиків і клеїв.

• Еластомери: вони зазвичай використовуються у виробництві гумових виробів, таких як прокладки та ущільнювальні кільця.

• Високотемпературний силікон: цей тип силікону використовується в програмах, які вимагають високотемпературної стійкості, наприклад, в аерокосмічній промисловості.

Хімія силікону: вивчення властивостей і утворення цього універсального матеріалу

Силікон — це синтетичний матеріал, який складається з атомів кремнію, кисню, вуглецю та водню. Це різновид полімеру, що означає, що він складається з довгих ланцюгів молекул, які утворюються в процесі полімеризації. Зазвичай силікон утворюється шляхом гідролізу, який включає реакцію сполук кремнію з водою для отримання силоксанів.

Хімія силоксанів і силіконових полімерів

Силоксани є будівельними блоками силіконових полімерів. Вони утворюються в результаті реакції сполук кремнію з водою, у результаті якої утворюється ланцюжок атомів кремнію та кисню, що чергуються. Отриманий силоксановий ланцюг можна додатково модифікувати шляхом додавання органічних груп, таких як метильні або фенільні групи, для отримання різноманітних силіконових полімерів.

Одним із найпоширеніших силіконових полімерів є полідиметилсилоксан (PDMS), який утворюється шляхом додавання метильних груп до ланцюга силоксану. PDMS — тверда, крихка кристалічна тверда речовина з синьо-сірим металевим блиском і входить до групи 14 у періодичній таблиці. Це тип силікону, який зазвичай використовується у виробництві електронних схем та інших виробів, для яких потрібен міцний, водостійкий матеріал.

Властивості силікону та його звичайне використання

Силікон має низку унікальних властивостей, які роблять його популярним матеріалом для широкого спектру застосувань. Деякі з ключових властивостей силікону включають:

• Висока термостійкість
• Водостійкість
• Низька токсичність
• Хороші електроізоляційні властивості
• Висока газопроникність

Ці властивості роблять силікон популярним матеріалом для багатьох продуктів, зокрема:

• Медичні прилади
• Автозапчастини
• Електронні складові
• Герметики та клеї
• Засоби особистої гігієни

Майбутнє виробництва та розвитку силікону

Виробництво та розробка силікону залишається активною сферою досліджень для хіміків і матеріалознавців. Пропонуються та випробовуються нові методи отримання силіконових полімерів, включаючи використання кетону та силілацетатів у процесі полімеризації. Оскільки нові силіконові полімери розробляються, вони, ймовірно, знайдуть нові застосування в різноманітних галузях промисловості та продукції.

Універсальне застосування силікону

Силікон є важливим інгредієнтом у різноманітних продуктах і матеріалах, які використовуються в будівництві та промисловості. Його здатність витримувати високі та низькі температури, протистояти хімічним речовинам і маслам і залишатися стабільним в екстремальних умовах робить його чудовим матеріалом для цілого ряду застосувань, зокрема:

• Покриття та клеї
• Ізолятори і наповнювачі (ось як використовувати правильні)
• Змащення та трансмісії автомобільних двигунів
• Спеціальні масла та фінішні продукти
• Скління та оздоблювальні матеріали

Електроніка та аерокосмічна промисловість

Силікони також широко використовуються в електронній та аерокосмічній промисловості завдяки своїм унікальним властивостям, зокрема:

• Ефективна ізоляція та стійкість до високих температур і хімічних речовин
• Здатність заповнити щілини та забезпечити амортизацію делікатних компонентів
• Стабільна та довговічна робота в екстремальних умовах

Медичні та косметичні засоби

Силіконовий гель є важливим інгредієнтом медичних і косметичних засобів завдяки своїй високій біосумісності та здатності імітувати властивості тканин людини. Деякі конкретні види використання включають:

• Грудні імплантати, імплантати яєчок і грудні імплантати
• Бандажі та перев'язки
• Контактні лінзи
• Засоби для лікування рубців і ран

Спеціальні програми

Силікон також використовується в різних спеціальних сферах, зокрема:

• Виробництво каучуку та смол
• Мікрофлюїдика та інші високоточні компоненти
• Продукція нафтогазової промисловості
• Ефективні та довговічні клеї

Майбутнє застосування силікону

Оскільки технологія та методи обробки продовжують розвиватися, спектр застосування силікону буде тільки зростати. Від розробки нових матеріалів і сполук до проектування конкретних деталей і конструкцій силікон залишатиметься важливим інгредієнтом у різноманітних продуктах і галузях.

Чому силікон є безпечним і екологічно чистим вибором

Силікон є популярним вибором для багатьох продуктів завдяки своїм характеристикам безпеки. Ось кілька причин чому:

• Без фталатів: фталати – це хімічні речовини, які зазвичай містяться в пластмасах і можуть бути шкідливими для здоров’я людини. Силікон не містить фталатів, що робить його безпечнішою альтернативою пластику.
• Без бісфенолу А: бісфенол А (BPA) — це ще одна хімічна речовина, яка міститься в пластмасі і може мати негативний вплив на здоров’я. Силікон не містить BPA, що робить його більш здоровим варіантом для зберігання та приготування їжі.
• Схвалено Міністерством охорони здоров’я Канади: Міністерство охорони здоров’я Канади визнало харчовий силікон безпечним для приготування та зберігання їжі. Він не реагує з їжею чи напоями, що робить його безпечним вибором для кухонного використання.

Екологічні міркування

Силікон не тільки безпечний для людини, але й екологічно чистий вибір. Ось чому:

• Довговічний: силікон — це міцний матеріал, який може служити роками, зменшуючи потребу в частій заміні та відходах.
• Можливість вторинної переробки: силікон можна переробляти, зменшуючи його вплив на навколишнє середовище.
• Низька токсичність: силікон є малотоксичним матеріалом, тобто він не виділяє шкідливих хімічних речовин у навколишнє середовище під час виробництва чи утилізації.

Силікон чи пластик: яка альтернатива краща?

Силікон і пластик — це два типи матеріалів, які зазвичай використовуються в різних галузях промисловості. Пластик є традиційним матеріалом, який використовується десятиліттями, тоді як силікон є відносно новою сполукою, яка набула популярності в останні роки. Обидва матеріали мають свої унікальні властивості та використання, але між ними є деякі важливі відмінності.

Різниця у властивостях

Однією з головних відмінностей між силіконом і пластиком є ​​спосіб їх виробництва. Силікон виготовляють із кремнію, природного стабільного елемента, тоді як пластик виготовляють із синтетичних сполук. Це означає, що силікон має деякі властивості, яких немає у пластмаси, наприклад, більш міцний і термостійкий. Силікон може витримувати більш високі температури, ніж пластик, що робить його ідеальним для використання в обладнанні для приготування їжі та випічки.

Подібності та відмінності у формі та здатності до формування

Хоча силікон міцніший за пластик, він не такий гнучкий. Його не можна формувати в різні форми, як пластикові банки. Однак із силікону можна надавати різноманітні форми, що робить його популярним вибором для посуду та кухонного обладнання. Пластик також часто використовується для посуду та кухонного обладнання, але він не такий міцний, як силікон.

Безпека та електричні властивості

Силікон також відомий своїми безпечними та електричними властивостями. Це нетоксичний матеріал, який не виділяє шкідливих хімічних речовин при нагріванні, що робить його безпечним для приготування їжі та випічки. Це також хороший електроізолятор, що робить його ідеальним для використання в електрообладнанні. З іншого боку, пластик може виділяти шкідливі хімічні речовини при нагріванні, що робить його менш безпечним варіантом для приготування їжі та випічки.

Очищення і технічне обслуговування

Що стосується чищення та догляду, силікон і пластик мають деякі подібності та відмінності. Обидва матеріали можна мити в посудомийній машині, але силікон більш міцний і може витримувати більш високі температури. Пластик може деформуватися та плавитися під дією високих температур, що робить його менш міцним, ніж силікон.

Висновок

Отже, силікон — це матеріал, виготовлений із кремнію та кисню, і його використовують для багатьох речей. 

Ви розумієте, чому це зараз так популярно, чи не так? Тому не бійтеся задавати запитання, якщо ви в чомусь не впевнені. Ви завжди можете попросити друга про допомогу. 

І не забудьте переглянути наш посібник, щоб дізнатися більше про силікон.

Я Йост Нуссельдер, засновник Tools Doctor, контент-маркетолог і тато. Я люблю випробовувати нове обладнання, і разом зі своєю командою я створюю детальні статті в блозі з 2016 року, щоб допомогти лояльним читачам інструментами та порадами щодо виготовлення.