Γιατί η σιλικόνη είναι τόσο μαλακή αλλά τόσο ανθεκτική στη θερμότητα-;

Η εντύπωση πολλών ανθρώπων για τη σιλικόνη είναι στην κουζίνα: ταψιά ψησίματος, φτυάρια, καλούπια για κέικ, τα οποία είναι μαλακά στο πιάσιμο αλλά πολύ ανθεκτικά στη θερμότητα-όταν τοποθετούνται στο φούρνο. Ακόμα και όταν βγαίνεις από υψηλή θερμοκρασία άνω των 200 βαθμών, δεν υπάρχει ορατή «τήξη».

Τα μαλακά υλικά με τα οποία συνήθως έρθουμε σε επαφή, όπως πλαστικές σακούλες, λαστιχάκια, αφρώδες βαμβάκι, θα κολλήσουν, θα παραμορφωθούν ή ακόμα και θα λιώσουν όταν η θερμοκρασία είναι υψηλή

Γιατί η σιλικόνη μπορεί να «αντιδράσει διαισθητικά» να επιτύχει απαλότητα και αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία; Σήμερα θα εξηγήσουμε αυτό το θέμα από τη δομή, την ηλεκτρονική συμπεριφορά έως τις εφαρμογές μηχανικής.

Η σιλικόνη (ακριβέστερα, καουτσούκ σιλικόνης βουλκανισμένη σε θερμοκρασία δωματίου ή υψηλή θερμοκρασία, με κύρια αλυσίδα πολυδιμεθυλοσιλοξανίου, PDMS) έχει έναν εντελώς διαφορετικό "σκελετό" από το κοινό οργανικό καουτσούκ - Si-O-Si ανόργανη οργανική υβριδική κύρια αλυσίδα. Αυτή η κύρια αλυσίδα καθορίζει ταυτόχρονα την "απαλότητα" και την "αντοχή στη θερμότητα".

Μεγαλύτερο μήκος δεσμού και ευρύτερη γωνία δεσμού: Οι δεσμοί Si-Ο είναι μεγαλύτεροι από τους δεσμούς C-C και η γωνία δεσμού του Si-O-Si είναι επίσης μεγαλύτερη. Ο συνδυασμός αυτών των δύο πραγμάτων αφήνει έναν μεγαλύτερο "χώρο κίνησης" για την περιστροφή του τμήματος της αλυσίδας, καθιστώντας ευκολότερη την κάμψη της αλυσίδας εμπρός και πίσω - η θερμοκρασία μετάβασης γυαλιού (Tg) είναι επομένως πολύ χαμηλή (το PDMS Tg είναι συχνά γύρω στους -120 βαθμούς ). Σε έναν κόσμο όπου η θερμοκρασία δωματίου είναι πολύ υψηλότερη από το Tg, είναι φυσικά ένα «μαλάκιο».

"Λίπανση" πλευρικής βάσης: Η πιο κοινή πλαϊνή βάση σιλικόνης είναι το - CH3. Οι ομάδες μεθυλίου είναι μικρού μεγέθους και έχουν ασθενή αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους. Οι αλυσίδες δεν είναι πολύ «κολλώδεις» μεταξύ τους, όπως η εφαρμογή ενός αόρατου λιπαντικού λαδιού σε μοριακό επίπεδο. Μακροσκοπικά, φαίνονται μαλακά και έχουν μια ήπια ανάκαμψη.

Χαμηλό περιστροφικό φράγμα: Η περιστροφική αντίσταση γύρω από τον δεσμό Si-O είναι μικρή και τα τμήματα είναι εύκαμπτα σαν διασυνδεδεμένοι σύνδεσμοι, που είναι επίσης η μικροσκοπική πηγή χαμηλής Tg.

Ο ίδιος ο δεσμός Si-Ο είναι πολύ ικανός να σπάσει: Η ενέργεια του δεσμού του δεσμού Si-Ο είναι σημαντικά υψηλότερη από αυτή των τυπικών δεσμών C-C και C-Ο, απαιτώντας υψηλότερη ενέργεια για να "σπάσει", επομένως δεν σπάει εύκολα σε υψηλές θερμοκρασίες.

Ανόργανος σκελετός: Η κύρια αλυσίδα του οργανικού καουτσούκ είναι γενικά το C-C ή το C-O, το οποίο είναι πιο επιρρεπές σε επίθεση από αντιδραστικές ελεύθερες ρίζες υπό συνθήκες θερμού οξυγόνου. Η κύρια αλυσίδα Si-O είναι πιο σταθερή και υφίσταται πιο αργή θερμική οξειδωτική γήρανση.

Συνοδεύεται από προστατευτικό κέλυφος σε περίπτωση πυρκαγιάς: Το καουτσούκ σιλικόνης θα δημιουργήσει ένα πυκνό στρώμα ανόργανης τέφρας παρόμοιο με το διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2) κάτω από υψηλή θερμοκρασία/ανοιχτή φλόγα, όπως να καλύπτεται γρήγορα με ένα ανθεκτικό στη θερμότητα κέλυφος για να εμποδίζει τη θερμότητα και το οξυγόνο από το να συνεχίσει να εισβάλλει και να "διεισδύει" στάζει».

Περίληψη σε μια φράση:

Η απαλότητα προέρχεται από την ευκαμψία των αλυσίδων και τις ασθενείς διαμοριακές αλληλεπιδράσεις, ενώ η αντίσταση στη θερμότητα προέρχεται από ισχυρούς δεσμούς Si-Ο και ανόργανα προϊόντα πυρόλυσης. Αυτά τα δύο πράγματα δεν είναι αντιφατικά.