Багато людей відчувають силікон на кухні: форми для випікання, лопатки, форми для тортів, які м’які для захоплення, але дуже-стійкі до тепла, якщо їх поставити в духовку. Навіть при виході з високої температури понад 200 градусів видимого «плавлення» немає.
М’які матеріали, з якими ми зазвичай контактуємо, наприклад поліетиленові пакети, гумки, поролон, стають липкими, деформуються або навіть плавляться при високій температурі.
Чому силіконовий «лічильник інтуїтивно» може досягти м'якості та стійкості до високих температур? Сьогодні ми пояснимо це питання від структури, електронної поведінки до інженерних застосувань.
01 Розберіть скелет і подивіться
Силікон (точніше, силіконова гума, вулканізована при кімнатній або високій температурі, з головним ланцюгом із полідиметилсилоксану, PDMS) має зовсім інший «скелет» від основного ланцюга звичайного органічного каучуку - Si-O-Si неорганічного органічного гібриду. Цей основний ланцюг одночасно визначає його «м'якість» і «термостійкість».
Чому він м'який?
Більша довжина зв’язку та ширший кут зв’язку: зв’язки Si-O довші за зв’язки C-C, а кут зв’язку Si-O-Si також більший. Поєднання цих двох речей залишає більший «простір для руху» для обертання сегмента ланцюга, полегшуючи згинання ланцюга вперед і назад - тому температура склування (Tg) дуже низька (Tg PDMS часто становить близько -120 градусів). У світі, де кімнатна температура набагато вища за Tg, це природно "молюск".
«Змащення» бічної основи: найпоширеніша силіконова бічна основа — - CH3. Метильні групи невеликі за розміром і слабо взаємодіють одна з одною. Ланцюги не дуже «липкі» один до одного, як нанесення невидимої мастила на молекулярному рівні. Макроскопічно вони виглядають м’якими та мають легкий відскок.
Низький обертальний бар’єр: опір обертанню навколо зв’язку Si-O невеликий, а сегменти гнучкі, як з’єднані з’єднання, що також є мікроскопічним джерелом низької Tg.
Чому він термостійкий?{0}}
Сам зв’язок Si-O дуже здатний до розриву: енергія зв’язку Si-O значно вища, ніж у типових зв’язків C-C і C-O, тому для його «розриву» потрібна більша енергія, тому його нелегко розірвати за високих температур.
Неорганічний скелет: основним ланцюгом органічного каучуку є, як правило, C-C або C-O, який більш сприйнятливий до атаки реактивних вільних радикалів в умовах гарячого кисню; Головний ланцюг Si-O більш стабільний і зазнає повільнішого термічного окислювального старіння.
Поставляється із захисною оболонкою на випадок пожежі: силіконова гума утворює щільний неорганічний шар попелу, подібний до діоксиду кремнію (SiO ₂), під дією високої температури/відкритого полум’я, подібно до того, що вона швидко покривається термо-стійкою оболонкою, щоб блокувати подальше проникнення тепла та кисню, тому її зазвичай характеризують як «самозатухання» та «не капання».
Резюме одним реченням:
М’якість забезпечується гнучкістю ланцюгів і слабкою міжмолекулярною взаємодією, тоді як термостійкість – міцними зв’язками Si-O та неорганічними продуктами піролізу. Ці дві речі не суперечать один одному.
