مطاط السيليكون

في نظام معالجة السيليكون القائم على البلاتين، والذي يُسمى أيضًا نظام الإضافة (لأن البوليمر الرئيسي المُكوِّن للتفاعل هو تفاعل إضافة )، يتفاعل بوليمر سيلوكسان وظيفي هيدريدي مع بوليمر سيلوكسان وظيفي فينيل في وجود مُحفِّز مُركَّب من البلاتين ، مُكوِّنًا جسر إيثيل بينهما. ^{[ 2 ]} لا ينتج عن هذا التفاعل أي نواتج ثانوية. تتصلب هذه المطاطات السيليكونية بسرعة، إلا أن معدل التصلب أو حتى القدرة على التصلب قد يتباطأ بسهولة في وجود القصدير العنصري والكبريت والعديد من مركبات الأمين . ^{[ 1 ]}

يمكن أن تكون أنظمة المعالجة بالتكثيف أحادية أو ثنائية المكونات . ^{[ 3 ]} في النظام أحادي المكون أو نظام RTV ( المعالجة في درجة حرارة الغرفة )، يتعرض عامل الربط المتشابك للرطوبة المحيطة (أي الماء) فيخضع لعملية تحلل مائي ، وينتج عنه مجموعة هيدروكسيل أو سيلانول . يتكثف السيلانول لاحقًا مع مجموعة أخرى قابلة للتحلل المائي على البوليمر أو عامل الربط المتشابك، وتستمر هذه العملية حتى تتم معالجة النظام بالكامل. يتصلب هذا النظام تلقائيًا في درجة حرارة الغرفة، وعلى عكس نظام المعالجة بالإضافة القائم على البلاتين، لا يتأثر بسهولة بالتلامس مع مواد كيميائية أخرى، مع العلم أن العملية قد تتأثر بالتلامس مع بعض أنواع البلاستيك أو المعادن، وقد لا تحدث على الإطلاق إذا تم وضعها على اتصال مع مركبات السيليكون المعالجة مسبقًا. تُستخدم عادةً مواد الربط المتشابك في أنظمة المعالجة بالتكثيف، وهي عادةً من نوع ألكوكسي، أو أسيتوكسي، أو إستر، أو إينوكسي، أو أوكسيم سيلان، مثل ميثيل تريميثوكسي سيلان لأنظمة المعالجة بالألكوكسي، وميثيل ترياسيتوكسي سيلان لأنظمة المعالجة بالأسيتوكسي. في كثير من الحالات، يُضاف عامل حفز إضافي للتكثيف لإتمام معالجة نظام RTV والحصول على سطح غير لزج. تُستخدم عوامل حفز عضوية من نوع تيتانات، مثل تيتانات رباعي ألكوكسي أو تيتانات مخلبية، في أنظمة المعالجة بالألكوكسي. يمكن استخدام عوامل حفز من القصدير، مثل ثنائي بيوتيل قصدير ثنائي لورات (DBTDL)، في أنظمة المعالجة بالأوكسيم والأسيتوكسي. يُعد تكثيف أسيتوكسي القصدير من أقدم طرق المعالجة الكيميائية المستخدمة في معالجة مطاط السيليكون، وهو المستخدم في مواد سد الشقوق المنزلية المستخدمة في الحمامات . بناءً على نوع الجزيء المنفصل، يمكن تصنيف أنظمة السيليكون إلى حمضية، أو متعادلة، أو قلوية. ^{[ 4 ]}

تُعبأ أنظمة التكثيف ثنائية الأجزاء في جزء واحد يحتوي على عامل الربط المتشابك ومحفز التكثيف، بينما يحتوي الجزء الثاني على البوليمر وأي مواد مالئة أو أصباغ. ويؤدي خلط الجزأين إلى عملية التصلب. ومن المواد المالئة الشائعة السيليكا المدخنة، والمعروفة أيضًا باسم السيليكا الحرارية، والتي تُستخدم للتحكم في خصائص تدفق المادة المانعة للتسرب. ^{[ 5 ]}

بعد تمام تصلبها، تُصبح أنظمة التكثيف فعّالة كمواد مانعة للتسرب في أعمال السباكة والبناء، وكقوالب لصبّ راتنجات البولي يوريثان والإيبوكسي والبوليستر، والشموع، والجبس، والمعادن ذات درجة الانصهار المنخفضة كالرصاص. تتميز هذه الأنظمة بمرونة عالية ومقاومة عالية للتمزق، ولا تتطلب استخدام مواد مانعة للالتصاق، إذ تتمتع السيليكونات بخصائص مانعة للالتصاق.

تُستخدم معالجة البيروكسيد على نطاق واسع في معالجة مطاط السيليكون. تُخلّف عملية المعالجة نواتج ثانوية قد تُشكّل مشكلة في تطبيقات ملامسة الأغذية والتطبيقات الطبية. مع ذلك، تُعالج هذه المنتجات عادةً في فرن معالجة لاحقة، مما يُقلّل بشكل كبير من محتوى نواتج تحلل البيروكسيد. أحد نوعي البيروكسيد العضوي الرئيسيين المستخدمين، وهو بيروكسيد ثنائي كوميل ، له نواتج تحلل رئيسية هي أسيتوفينون و2 -فينيل-2-بروبانول . أما النوع الآخر فهو بيروكسيد 2،4-ثنائي كلورو بنزويل، الذي نواتج تحلله الرئيسية هي حمض 2،4-ثنائي كلورو بنزويك و1،3 -ثنائي كلورو بنزين . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

يتميز المطاط العضوي ببنية كربونية أساسية تجعله عرضةً لتأثيرات الأوزون والأشعة فوق البنفسجية والحرارة وغيرها من عوامل التلف التي يقاومها مطاط السيليكون جيدًا. وهذا ما يجعل مطاط السيليكون أحد أنواع المطاط الصناعي المفضلة في العديد من البيئات القاسية. إلا أن نفاذية السيليكون للغازات أعلى بكثير من معظم أنواع المطاط الأخرى، مما يحد من استخدامه في بعض المجالات.

يتميز مطاط السيليكون بخموله الكيميائي العالي، فهو لا يتفاعل مع معظم المواد الكيميائية، ولا يشارك في العمليات البيولوجية، مما يسمح باستخدامه في العديد من التطبيقات الطبية، بما في ذلك الغرسات الطبية . كما أنه متوافق حيويًا ومضاد للحساسية ، مما يجعله مناسبًا لمنتجات العناية بالأطفال، وللتلامس مع الطعام بشكل عام. يُعد مطاط السيليكون حلاً موثوقًا (مقارنةً بالمطاط واللدائن الحرارية المرنة ) لمشاكل الهجرة أو التفاعل بين المكونات النشطة الرئيسية. ويمنع استقراره الكيميائي تأثيره على أي سطح يتلامس معه (كالجلد، والماء، والدم، والمكونات النشطة، إلخ). ^{[ 15 ]}

لصنع السيليكون، يجب عزل ذرات السيليكون من مركب ثاني أكسيد السيليكون، السيليكا . ويتم ذلك بتسخين كميات كبيرة من رمل الكوارتز إلى درجات حرارة عالية للغاية، تصل غالبًا إلى 1800  درجة مئوية. بعد ذلك، تُجرى عدة عمليات يتم فيها دمج السيليكون مع كلوريد الميثيل وتسخينه. ثم يُقطر ليتحول إلى بوليمر سيلوكسان يُعرف باسم بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان . بعد ذلك، يمكن بلمرة بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان . وتُجرى هذه العملية باستخدام تقنيات متنوعة حسب استخدام المنتج النهائي. ^{[ 16 ]} يُدمج مركب السيليكون الخام مع أي إضافات مرغوبة، والتي قد تشمل أصباغًا، بالإضافة إلى عامل مساعد. ثم يُصب في قوالب الحقن ، أو يُبثق، أو يُطبع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد . وتُعد عملية المعالجة المرحلة الأخيرة في عملية الإنتاج.

تختلف البوليسيلوكسانات عن البوليمرات الأخرى في أن سلاسلها الرئيسية تتكون من وحدات Si–O–Si بدلاً من وحدات C–C. وتجعل زوايا الروابط الكبيرة وأطوالها البوليسيلوكسانات أكثر مرونة من البوليمرات الأساسية مثل البولي إيثيلين . يبلغ طول رابطة وحدة AC–C الرئيسية 1.54  أنغستروم وزاوية الرابطة 112 درجة، بينما يبلغ طول رابطة وحدة Si–O الرئيسية 1.63  أنغستروم وزاوية الرابطة 130 درجة. يمكن لقطاعات البوليمر في البوليسيلوكسانات أن تتحرك لمسافات أبعد وتغير شكلها بسهولة، مما يجعلها مادة مرنة. تميل البوليسيلوكسانات إلى أن تكون أكثر استقرارًا وأقل نشاطًا كيميائيًا لأن كسر رابطة السيليكون-الأكسجين يتطلب طاقة أكبر . على الرغم من أن السيليكون متجانس مع الكربون، وله نفس تكوين الروابط الإلكترونية، إلا أن نظائر السيليكون للمركبات الكربونية تُظهر عمومًا خصائص مختلفة. يُؤدي اختلاف الشحنة الكلية والكتلة بين الكربون (الذي يحتوي على 6 بروتونات و6 نيوترونات) والسيليكون (الذي يحتوي على 14 بروتونًا و14 نيوترونًا) إلى طبقة إضافية من الإلكترونات، ويُغير تأثير حجبها الكهرسلبية بين العنصرين. فعلى سبيل المثال، تُعد رابطة السيليكون-الأكسجين في البولي سيلوكسانات أكثر استقرارًا بشكل ملحوظ من رابطة الكربون-الأكسجين في بولي أوكسي ميثيلين ، وهو بوليمر مشابه بنيويًا. ويعود هذا الاختلاف جزئيًا إلى ارتفاع طاقة الرابطة ، أي الطاقة اللازمة لكسر رابطة Si-O، وأيضًا لأن بولي أوكسي ميثيلين يُحلل الفورمالديهايد ، وهو غاز متطاير يتسرب مُحفزًا عملية التحلل، بينما تكون نواتج تحلل السيليكون المحتوية على السيليكون أقل تطايرًا. ^{[ 17 ]}

بعد مزج مطاط السيليكون وتلوينه، يمكن بثقه على شكل أنابيب أو شرائط أو حبال صلبة أو أشكال مخصصة وفقًا لمواصفات الحجم التي يحددها المصنّع. ويمكن وصل الحبال لتكوين حلقات دائرية ، كما يمكن وصل الأشكال المبثوقة لتكوين موانع تسرب.

يمكن تشكيل مطاط السيليكون بأشكال وتصاميم مخصصة. ويعمل المصنّعون على تحديد معايير التفاوت المسموح بها في الصناعة عند بثق أو قطع أو وصل مقاطع مطاط السيليكون. في المملكة المتحدة، يُعتمد معيار BS 3734، حيث يكون الحد الأدنى للتفاوت المسموح به في عمليات البثق هو E1، والحد الأقصى هو E3.

يمكن طباعة مطاط السيليكون بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (نمذجة الترسيب السائل LDM) باستخدام أنظمة البثق بالمضخة والفوهة. مع ذلك، فإن تركيبات السيليكون القياسية مُحسَّنة للاستخدام في آلات البثق والقولبة بالحقن، ولا تُناسب الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على تقنية LDM. لذا، يلزم تعديل الخصائص الريولوجية وفترة صلاحية المنتج . ^{[ 20 ]}

تتطلب الطباعة ثلاثية الأبعاد أيضًا استخدام مادة دعم قابلة للإزالة ومتوافقة مع مطاط السيليكون.

يُصنع مطاط السيليكون السائل أيضاً لتطبيقات علوم الحياة (مكابس المحاقن، وأغطية أنظمة التوزيع، وحشيات منظمات تدفق المحاليل الوريدية، وأقنعة التنفس، والحجرات القابلة للزرع لإعطاء المحاليل الوريدية)، ومنتجات التجميل (فرشاة الماسكارا، وعبوات المكياج، وأدوات وضع المكياج، وقوالب أحمر الشفاه)، ومنتجات البصريات (العدسات الدائرية، والمُجمِّعات ، وعدسات فريسنل ، والعدسات ذات الأشكال الحرة). ^{[ 21 ]}

تستغل ألواح تسخين المياه بالطاقة الشمسية المقاومة للتجمد مرونة السيليكون لاستيعاب تمدد الماء عند تجمده، بينما تحافظ مقاومته العالية لدرجات الحرارة المنخفضة على عدم هشاشته تحت الصفر، وتحمله الممتاز لدرجات حرارة تتجاوز 150 درجة مئوية (300 درجة فهرنهايت) . كما أن عدم احتوائه على هيكل كربوني، واستبداله بهيكل سيليكوني قوي كيميائيًا، يقلل من احتمالية كونه مصدرًا غذائيًا للبكتيريا الخطيرة المنقولة بالماء، مثل الليجيونيلا .  

يُستخدم شريط مطاط السيليكون غير المصبوغ، المُضاف إليه أكسيد الحديد الثلاثي (مما يُكسبه لونًا برتقاليًا محمرًا)، على نطاق واسع في تطبيقات أسلاك الطيران والفضاء كشريط وصل أو لف نظرًا لكونه غير قابل للاشتعال. يُضيف أكسيد الحديد موصلية حرارية عالية دون التأثير على خاصية العزل الكهربائي العالية لمطاط السيليكون. يندمج هذا النوع من الأشرطة ذاتية الالتحام مع نفسه، بحيث يُشكّل عند شده ولفّه حول الكابلات والوصلات الكهربائية والخراطيم والأنابيب طبقة مطاطية قوية غير ملحومة، عازلة كهربائيًا ومقاومة للماء، وإن لم تكن لاصقة. يتميز مطاط السيليكون، كعازل كهربائي، بميزة إضافية تتمثل في بقائه غير موصل للكهرباء عند تعرضه للحرارة، مما يقلل من احتمالية حدوث شرارة كهربائية.

بإضافة الكربون أو أي مادة موصلة أخرى كحشو مسحوقي، يمكن جعل مطاط السيليكون موصلاً للكهرباء مع الحفاظ على معظم خصائصه الميكانيكية الأخرى. ولذلك، يُستخدم في الموصلات المرنة التي تُغلق عند الضغط عليها، والمستخدمة في العديد من الأجهزة مثل لوحات مفاتيح الكمبيوتر وأجهزة التحكم عن بُعد .

يُستخدم مطاط السيليكون كعازل كهربائي في كابلات الطاقة ووصلاتها. ^{[ 19 ] [ 22 ]} تتميز الكابلات المعزولة بالسيليكون بقدرتها على تحمل درجات حرارة تتراوح بين -90 و200 درجة مئوية (-130 إلى 390 درجة فهرنهايت) ، بالإضافة إلى مرونتها العالية. هذه الخصائص تجعلها مناسبة للحفاظ على سلامة الدوائر الكهربائية في حالة نشوب حريق. ^{[ 23 ]}