Silicona

A silicona pódese usar como selante básico contra a penetración de auga e aire

A silicona ou polisiloxano son polímeros constituídos de siloxano (-R₂-Si-O-SiR₂-, onde R é o grupo orgánico). Son substancias incoloras, aceites ou caucho . A silicona úsase en selantes, adhesivos, lubricantes, medicamentos, utensilios de cociña e illamento térmico e eléctrico.

Química

Estrutura química do polidimetilsiloxano de silicona (PDMS)

Chamados con máis precisión siloxanos polimerizados ou polisiloxanos, as siliconas consisten nunha cadea do silicio-osíxeno (⋯ −SiO−Si−O−Si−O− ⋯) con dous grupos orgánicos unidos a cada centro de silicio. Normalmente, os grupos orgánicos son metilo. Os materiais poden ser cíclicos ou polímeros. Ao variar as lonxitudes da cadea −Si−O os grupos laterais e a reticulación, as siliconas pódense sintetizar cunha gran variedade de propiedades e composicións. Poden variar na consistencia, de líquido en xel a caucho a plástico duro. O siloxano máis común é o polidimetilsiloxano lineal (PDMS), un aceite de silicona . O segundo maior grupo de materiais de silicona está baseado en resinas de silicona, que están formadas por oligosiloxanos ramificados e como a gaiola.

Terminoloxía e historia

FS Kipping acuñou a palabra silicona en 1901 para describir a fórmula de polidifenilsilxano, Ph₂SiO (Ph denotando fenilo, C₆H₅), por analoxía coa fórmula da cetona benzofenona, Ph₂CO (o seu termo era orixinalmente silicocetona ). Kipping sabía ben que o polidifenilsilxano é polimérica mentres que a benzofenona é monomérica e observou as propiedades contrastantes de Ph₂SiO e Ph₂CO. O descubrimento das diferenzas estruturais entre as moléculas de Kipping e as cetonas significa que a silicona xa non é o termo correcto (aínda que segue sendo en uso común) e que o termo siloxanos é correcto segundo a nomenclatura da química moderna.

Os compostos que conteñen dobres enlaces silicio-osíxeno, agora chamados silanonas, pero que poderían merecer o nome de "silicona", foron identificados como intermediarios en procesos en fase gas como a deposición de vapor químico na produción de microelectrónica e na formación de cerámica pola combustión. Non obstante, teñen unha forte tendencia á polimerización en siloxanos. A primeira silanona estable foi obtida en 2014 por A. Filippou e outros.

Síntese

Os máis comúns son materiais baseados en polidimetilsiloxano, que se deriva por hidrólise do dimetildiclorosilano. Este dicloruro reacciona coa auga do seguinte xeito:

n Si(CH₃)₂Cl₂ + n   H₂O → [Si(CH₃)₂O]_n + 2n HCl

A polimerización produce normalmente cadeas lineais cubertas con grupos Si−Cl ou Si−OH (silanol). En condicións diferentes, o polímero é cíclico e non cadea.

En aplicacións de consumo como os caldeiros úsanse acetatos de sililo en lugar dos cloruros de silila. A hidrólise dos acetatos produce o ácido acético menos perigoso (o ácido que se atopa no vinagre) como produto de reacción dun proceso de curación moito máis lento. Esta química úsase en moitas aplicacións de consumo, coma adhesivos.

n Si(CH₃)₂(CH₃COO)₂ + n H₂O → [Si(CH₃)₂O]_n + 2n   CH₃COOH

Pódense introducir pólas ou enlaces cruzados na cadea de polímeros empregando precursores de organosilicona con menos grupos alquilo, como o metil triclorosilano e o metiltrimetoxisilano. O ideal sería que cada molécula dun composto se converta nun punto de rama. Este proceso pódese empregar para producir resinas de silicona dura. Do mesmo xeito, pódense usar precursores con tres grupos metilo para limitar o peso molecular, xa que cada molécula ten un único sitio reactivo e polo que forma o final dunha cadea de siloxano.

Combustión

Cando a silicona é queimada no aire ou osíxeno, fórmase sílice sólida (dióxido de silicio, SiO₂) como un po branco, char e varios gases. Ás veces, o po facilmente dispersado chámase fume de sílice. A pirólise de certos polisiloxanos baixo unha atmosfera inerte é unha valiosa vía cara á produción de cerámicas de oxícarburo de silicio amorfo, tamén coñecidas como cerámicas derivadas de polímeros . Os polisiloxanos rematados con ligandos funcionais como grupos vinílicos, mercapto ou acrilato foron unidos entre si para producir polímeros preceramicos, que poden fotopolimerizarse para a fabricación de aditivos de cerámica derivada de polímeros mediante técnicas de estereolitografía.

Propiedades

As siliconas presentan moitas características útiles, incluíndo:

• Condutividade térmica baixa
• Reactividade química baixa
• Baixa toxicidade
• Estabilidade térmica (constancia de propiedades nun amplo intervalo de temperatura de -100 a 250 °C).
• A capacidade de repeler a auga e formar selos estancos.
• Non se adhire a moitos substratos, pero adhírese moi ben a outros, por exemplo o vidro.
• Non admite o crecemento microbiolóxico.
• Resistencia ao osíxeno, ozono e á luz ultravioleta. Esta propiedade provocou o uso xeneralizado de siliconas na industria da construción (por exemplo, revestimentos, protección contra incendios, selos de acristalamento) e na industria do automóbil (xuntas externas, adornos externos).
• Propiedades de illamento eléctrico. Debido a que a silicona pode ser formulada para ser eléctricamente illante ou condutora, é adecuada para unha ampla gama de aplicacións eléctricas.
• Permeabilidade elevada a gases: a temperatura ambiente (25 °C), a permeabilidade da goma de silicona para gases como o osíxeno é de aproximadamente 400 veces ^{[Cómpre referencia]} da goma butílica, o que fai que a silicona sexa útil para aplicacións médicas nas que se desexe aumentar a aireación. Pola contra, as gomas de silicona non se poden usar onde son necesarios selos herméticos, como selos de gases a alta presión ou baleiro elevado.

A silicona pódese desenvolver en láminas de goma, onde ten outras propiedades, como a conformidade coa FDA. Isto estende os usos da folla de silicona a industrias que demandan hixiene, por exemplo, alimentos e bebidas e farmacéuticas.

Usos

A silicona úsase en moitos produtos. A continuación móstranse algúns deles:

Automoción

No campo da automoción, a graxa de silicona úsase normalmente como lubricante para os compoñentes do freo, xa que é estable a altas temperaturas, non é soluble en auga e é bastante menos probable que os outros lubricantes se ensucien. Os fluídos de freo DOT 5 están baseados en siliconas líquidas.

Os fíos das buxías do automóbil están illados por varias capas de silicona para evitar que salten chispas a fíos adxacentes, provocando fallos. As tubaxes de silicona ás veces úsanse en sistemas de inxección de automóbiles (especialmente para motores con indución forzada).

As plantas de fabricación de carrocerías do automóbil e as tendas de pintura evitan isto, xa que poden provocar "ollos de peixe", pequenos cráteres circulares no acabado.

Ademais, os compostos de silicona como o caucho de silicona úsanse como recubrimentos e selantes para os airbags ; a gran resistencia da goma de silicona convérteo nun adhesivo e selante óptimo para airbags de alto impacto. Os silicóns en combinación con termoplásticos proporcionan melloras na resistencia aos arañazos e un menor coeficiente de fricción.

Aeroespacial

A silicona é un material moi usado na industria aeroespacial debido ás súas propiedades de selado, estabilidade nun rango de temperaturas extremas, durabilidade, amortecemento sonoro e anti-vibracións e propiedades ignífugas naturalmente. O mantemento dunha funcionalidade extrema é fundamental para a seguridade dos pasaxeiros na industria aeroespacial, polo que cada compoñente dunha aeronave require materiais de alto rendemento.

Os graos de silicona aeroespacial especialmente desenvolvidos son estables entre -70 a 220 °C, estes graos pódense usar na construción de xuntas para fiestras e portas de cabina. Durante a operación, as aeronaves atravesan grandes flutuacións de temperatura nun período de tempo relativamente curto; desde as temperaturas de conxelación ao voar a toda altitude ata as temperaturas ambientais cando no chan en países quentes. A goma de silicona pódese moldear cunhas tolerancias axustadas garantindo que as xuntas forman selos herméticos tanto no chan como no aire, onde diminúe a presión atmosférica.

A resistencia da goma de silicona á corrosión térmica permítelle empregar xuntas en motores de avións onde superarán outros tipos de caucho, tanto para mellorar a seguridade das aeronaves como para reducir os custos de mantemento. A silicona actúa para selar os cadros de instrumentos e outros sistemas eléctricos no habitáculo, protexendo as placas de circuíto impreso dos riscos de altitudes extremas como a humidade e as temperaturas extremadamente baixas. A silicona pódese usar como funda para protexer os fíos e compoñentes eléctricos de calquera po ou xeo que se poida arrastrar ao funcionamento interior dun avión.

Coma as viaxes aéreas produce moito ruído e vibracións, os motores, os desembarques e as altas velocidades deben considerarse para garantir o confort dos pasaxeiros e o funcionamento seguro da aeronave. Como o caucho de silicona ten reducións de ruído e propiedades anti-vibracións, pódese formar en pequenos compoñentes e axustarse a pequenas lagoas asegurando que todos os equipos poidan estar protexidos de vibracións non desexadas, como armarios aéreos, condutos de ventilación, escotillas, selos de sistema de entretemento e sistemas de iluminación LED.

Revestimentos

As películas de silicona pódense aplicar a tales substratos a base de sílice como o vidro para formar un revestimento hidrofóbico unido de forma covalente.

Moitos tecidos poden ser revestidos ou impregnados con silicona para formar un composto resistente e impermeable como o silnilón.

Ollas

Cullerón de sopa e cullerón de pasta de silicona

Un bote de vapor de silicona que se coloca dentro dunha pota de auga fervendo

Bandexas de cubo de xeo de silicona

Como material de pouca tensión e non tóxico, pódese empregar silicona onde é necesario o contacto cos alimentos. A silicona está a converterse nun produto importante na industria da cociña, especialmente os utensilios de cociña.

• A silicona úsase como illante en potas resistentes á calor e outros elementos similares; con todo, é máis condutor da calor que produtos similares a base de fibras similares menos densas. As manoplas de forno en silicona son capaces de soportar temperaturas de ata 260 Cº, permitindo o acceso a auga fervendo.
• Moldes para chocolate, xeo, galletas, magdalenas e varios outros alimentos.
• Olla antiadherente e alfombras reutilizables empregadas en láminas de cocción.
• Outros produtos, coma caldeiras de ovos ou cazadores, tapas de potas e alfombras de cociña.

Limpeza en seco

A silicona líquida pódese usar como disolvente de limpeza en seco, proporcionando unha alternativa ao disolvente tradicional de cloroletano que contén cloro. O uso de siliconas na limpeza en seco reduce o efecto ambiental das industrias.

Electrónica

Ás veces os compoñentes electrónicos están encaixados en silicona para aumentar a estabilidade fronte a choques mecánicos e eléctricos, radiacións e vibracións.

Empréganse siliconas onde se esixe a durabilidade e o alto rendemento de compoñentes en condicións duras, como no espazo (tecnoloxía satélite). Seléctanse mediante encapsulado de poliuretano ou epoxi cando se require un amplo intervalo de temperatura de funcionamento (entre 65 e 315 °C). As siliconas tamén teñen a vantaxe de ter un pequeno aumento de calor exotérmico durante a cura, baixa toxicidade, boas propiedades eléctricas e alta pureza.

Non obstante o uso de siliconas en electrónica non ten problemas. As siliconas son relativamente caras e poden ser atacadas por disolventes. A silicona migra facilmente como líquido ou vapor cara a outros compoñentes.

A contaminación en silicona de contactos de interruptores eléctricos pode provocar fallos provocando un aumento da resistencia de contacto. O uso de produtos en spray a base de silicona en dispositivos electrónicos durante o mantemento ou as reparacións pode causar fallos posteriores.

Bombeiros

En edificios norteamericanos empregouse escuma de silicona para intentar cortar aberturas dentro dos conxuntos de paredes e pisos resistentes ao lume para evitar a propagación de chamas e fume dunha habitación a outra. Se están correctamente instalados, pódense fabricar cortalumes con escuma de silicona para cumprir os códigos de construción. As vantaxes inclúen flexibilidade e alta resistencia dieléctrica. Entre as desvantaxes inclúe a combustibilidade (difícil de extinguir) e o desenvolvemento importante do fume.

Os bombeiros con escuma de silicona foron obxecto de controversias e atención na prensa debido ao desenvolvemento de fume a partir da pirólise de compoñentes combustibles dentro da escuma, escape de gas de hidróxeno, encollemento e rachadura. Estes problemas provocaron feitos denunciables entre os licenciatarios (operadores de centrais nucleares) da Comisión Reguladora Nuclear (NRC) .

Lubricantes

As graxas de silicona úsanse para moitos fins, como cadeas de bicicletas, pezas de pistola airsoft e unha ampla gama doutros mecanismos. Normalmente, un lubricante de seco é entregado cun portador de disolventes para penetrar no mecanismo. O disolvente entón se evapora, deixando unha película transparente que lubrica pero non atrae sucidade e greta tanto como un aceite ou outro lubricante tradicional "mollado".

Os lubricantes persoais de silicona tamén están dispoñibles para uso en procedementos médicos ou actividades sexuais.

Medicina

A silicona úsase en microfluídicos, selos, xuntas, sudarios e outras aplicacións que requiren unha elevada biocompatibilidade. Ademais, úsase en vendas e apósitos, implantes, lentes de contacto e unha variedade doutros usos médicos.

As follas de tratamento da cicatriz adoitan estar feitas en silicona de calidade médica debido á súa durabilidade e biocompatibilidade. O polidimetilsiloxano adoita usarse para este propósito xa que o seu reticulación específica dá como resultado unha silicona flexible e suave de alta durabilidade e pegamento.

Moldura

Molde de silicona.

Os sistemas de silicona de dúas partes úsanse como moldes de caucho para fundir resinas, escumas, caucho e aliaxes de baixa temperatura. Un molde de silicona normalmente require pouca ou ningunha liberación de moldes ou preparación da superficie, xa que a maioría dos materiais non se adhiren a silicona. Para usos experimentais, pódese empregar silicona dunha soa parte para fabricar moldes ou moldear formas. Se é necesario, pódense usar aceites de cociña comúns ou vaselina en superficies de apareamento como axente de liberación de moldes.

Os moldes de cociña empregados para a panadería non requiren revestimento con aceite de cociña, permitindo que o alimento se poida eliminar máis facilmente do molde despois da cocción.

Oftalmoloxía

A silicona ten moitas aplicacións como o aceite de silicona usado para substituír o vítreo (pate do ollo) despois da vitrectomía.

Coidado persoal

Os silicóns son ingredientes amplamente empregados no coidado da pel. Algunhas siliconas son excelentes acondicionadores de pelo, proporcionando compatibilidade, sensación e suavidade. As feniletrimétonas, a diferenza dos amodimetéticos condicionantes, teñen índices de refracción (normalmente 1,46) próximos ao dun cabelo humano (1,54). Non obstante, se están incluídos na mesma formulación, amodimeticona e feniltrimeticona interactúan e dilútanse entre si, dificultando a obtención dun brillo elevado e un excelente acondicionamento no mesmo produto.

A goma de silicona é comunmente usada nos biberóns para a súa limpeza, aparencia estética, e baixo contido de extraíbles.

Estes úsanse en produtos para afeitar e lubricantes persoais.

Construción de fontanería e edificios

A forza e a fiabilidade do caucho de silicona son amplamente recoñecidos na industria da construción. Os selantes e caldeiras dunha parte son de uso común para selar lagoas, xuntas e fisuras nos edificios. A cura dunha parte das siliconas absorbe a humidade atmosférica, o que simplifica a instalación. En fontanería, a graxa de silicona aplícase normalmente a aneis, billas e válvulas de latón, impedindo que a cal se pegue ao metal.

Xoguetes e pasatempos

• As "bandas de goma" de silicona son un recambio popular de longa duración para bandas de goma reais nos xoguetes de 2013 "moda de tecido de caucho "a dúas ou catro veces o prezo (en 2014). As bandas de silicona tamén teñen tamaños de pulseira que se poden personalizar cun nome ou mensaxe. As grandes bandas de silicona tamén se venden como empates.
• O formerol é un caucho de silicona usado como material artesanal, xa que a súa plasticidade permite moldear a man como arxila modeladora. Endurece a temperatura ambiente e é adhesivo a varias substancias, incluído vidro e aluminio.
• Na fabricación de acuarios, agora os fabricantes utilizan normalmente un selante de silicona para xuntar as placas de vidro. As xuntas de vidro realizadas con selante de silicona poden soportar unha gran presión, o que fai que o método orixinal de construción do acuario (de forraxe e masilla) quedase obsoleto. Esta mesma silicona úsase para fabricar bisagras en tapas de acuario ou para pequenas reparacións. Non obstante, non todas as siliconas comerciais son seguras para a fabricación de acuarios, nin se usa silicona para a fabricación de acuarios acrílicos, xa que as siliconas non teñen adhesión a longo prazo aos plásticos.

Produción e comercialización

A demanda global de siliconas achegouse aos 18,2 miles de millóns de dólares en 2018, aproximadamente o 22% ata 2026. Continúa un crecemento similar nos anos seguintes ata alcanzar os 22,1 millóns de dólares ata 2026. Espérase que o crecemento anual se vexa impulsado por aplicacións máis amplas, a introdución de produtos novos e a concienciación sobre o uso de materiais máis ecolóxicos.

Os principais fabricantes mundiais de materiais base de silicona pertencen a tres organizacións rexionais: o Centro Europeo de Silicona (CES) en Bruxelas, Bélxica; o Consello de Seguridade e Saúde do Medio Ambiente (SEHSC) en Herndon, Virxinia, Estados Unidos; e a Asociación de Industria de Silicona do Xapón (SIAJ) en Tokio, Xapón. Unha cuarta organización, o Consello de silicona global (GSC) actúa como estrutura paraguas sobre as organizacións rexionais. Os catro son sen ánimo de lucro, sen función comercial; as súas misións principais son promover a seguridade da silicona desde a perspectiva de saúde, seguridade e ambiental. Mentres a industria química europea se está preparando para aplicar a lexislación de rexistro, avaliación e autorización de produtos químicos (REACH), o CES lidera a formación dun consorcio de produtores e importadores de siliconas, silanos e siloxanos para facilitar datos e custos.

Consideracións ambientais e de seguridade

Os compostos de silicona D4 e D5 son contaminantes do aire e da auga e teñen efectos negativos sobre a saúde nos animais. Úsanse en diversos produtos de coidado persoal. A Axencia Europea de Produtos Químicos descubriu que "D4 é unha substancia persistente, bioacumulativa e tóxica (PBT) e D5 é unha substancia moi persistente, moi bioacumulativa (vPvB)". Outras siliconas se biodegradan facilmente, un proceso que é acelerado por unha variedade de catalizadores, incluíndo arxilas. As siliconas cíclicas demostraron que implican a aparición de silanoles durante a biodegradación en mamíferos.

Ao redor de 200 °C na atmosfera o PDMS libera trazas de formaldehído (pero menos que outros materiais comúns como o polietileno ). A 200 °C, atopouse que as siliconas teñen menor xeración de formaldeído que o aceite mineral e os plásticos (menos de 3 a 48 anos) µg CH₂O/(g·hr) para unha goma de silicona de alta consistencia, fronte a 400 µg CH₂O/(g·hr) para plásticos e aceite mineral). Por 250 °C, atopáronse cantidades abundantes de formaldehído producidas para todas as siliconas (1200 a 4600 µg CH₂O/(g·hr)).

Véxase tamén

Ligazóns externas

• Science of Silicone Polymers (Silicone Science en liña, Centre Européen des Silicones: CES)