Elastomery silikonowe - materiały uniwersalne?

W głównych łańcuchach polimerów silikonowych występują wiązania siloksanowe (-Si-O–Si-), które są bardzo stabilne. Są one bardziej trwałe od wiązań między atomami węgla (–C–C–) w innych kauczukach - naturalnym i syntetycznych, stosowanych w produkcji wyrobów gumowych. Dlatego też, w porównaniu do innych polimerów organicznych, kauczuki silikonowe charakteryzują się wyższą odpornością termiczną i stabilnością chemiczną. Zapewniają też lepszą izolację elektryczną.

Makrocząsteczki silikonów są spiralne, a siły międzycząsteczkowe niewielkie, co skutkuje ich wysoką elastycznością, dużą ściśliwością i doskonałą odpornością na niskie temperatury. Ponadto grupy funkcyjne znajdujące się na zewnątrz łańcucha polisiloksanowego (np. grupy metylowe, czy fluorometylowe) nadają silikonom charakterystyczne właściwości międzyfazowe, w tym wodoodporność (kauczuk silikonowy pochłania tylko 1% wilgoci, nawet po długim kontakcie z wodą).

Odporność termiczna to jedna z najważniejszych cech gumy silikonowej. W temperaturze 150°C praktycznie nie dochodzi do zmian właściwości fizykochemicznych wyrobów. Guma silikonowa wytrzymuje użytkowanie przez ponad 10 tys. godzin w 200°C, a w krótszym czasie nawet w 300°C. Kauczuki silikonowe mają również doskonałą odporność na niskie temperatury. Temperatura kruchości wynosi dla nich od -60 do -70°C, podczas gdy dla typowych kauczuków oscyluje ona w granicach od -20 do -30°C.

wlasciwosci
Porównanie właściwości różnych kauczuków w odniesieniu do kauczuku naturalnego (na podstawie materiałów dirmy Shin-Etsu Chemical Co. Ltd.)

W wyniku procesów starzeniowych wyroby silikonowe wystawione na działanie czynników atmosferycznych oraz wysokiej temperatury twardnieją i zmniejsza się ich elastyczność, jednak w warunkach zamkniętych miękną (przez co np. skraca się żywotność uszczelnień), co związane jest z degradacją łańcucha polisiloksanowego. Oczywiście silikony są wyjątkowo odporne na warunki atmosferyczne i działanie ozonu w porównaniu z innymi kauczukami. Ozon wytworzony przez wyładowanie koronowe szybko niszczy większość gum organicznych, ale nie ma prawie żadnego wpływu na gumę silikonową.

Wytrzymałość silikonów na rozdzieranie wynosi na ogół około 9,8 kN/m, choć dzięki odpowiedniemu doborowi wypełniaczy i środków sieciujących producenci potrafią uzyskać typy o dużo wyższej wytrzymałości na rozerwanie wynoszącej od 29,4 do 49,0 kN/m. Wytrzymałość gumy na rozciąganie waha się od 1,4 do ok. 10 MPa, w zależności od procesu produkcji i składu mieszanki. Wydłużenie przy zerwaniu dochodzić może nawet do 700%.

Zazwyczaj guma silikonowa jest dobrym izolatorem cieplnym, jej przewodność cieplna wynosi około 0,2 W/m·K (dla mocno wypełnionego elastomeru silikonowego może przekraczać 0,4 W/m·K). Przez wiele lat przewodność cieplna większości elastomerów silikonowych i uszczelniaczy rzadko przekraczała 0,8 W/m·K, a tylko specjalne produkty osiągały wartości nawet 1,2 W/m·K. Obecnie na rynku dostępne są produkty, dla których wartości współczynnika przewodzenia ciepła wahają się od 0,3 do 4,3 W/m·K.

Cenną właściwością elastomerów silikonowych jest ich trudnopalność (indeks tlenowy zawsze powyżej 20%). Po zapaleniu rozprzestrzenianie się płomienia jest powolne, a produktami spalania są krzemionka, CO, CO2 i woda, a więc produkty o niskiej toksyczności. W przeciwieństwie do większości elastomerów organicznych, płonący silikon wytwarza bardzo mało dymu, a tym samym zapewnia dobrą widoczność w przypadku pożaru. Co więcej, silikony są zdolne do tworzenia stabilnego popiołu, który w skrajnych przypadkach zamienia się w bardzo twardą ceramikę, co wykorzystywane jest np. przy produkcji kabli w osłonie ceramizującej. Takie zachowanie się popiołu podczas spalania jest również bardzo przydatne w odniesieniu do wszelkiego rodzaju uszczelnień, które mają ograniczać rozprzestrzenianie się ognia lub dymu.

Elastomery silikonowe są doskonałymi izolatorami elektrycznymi. Ich wytrzymałość elektryczna to ok. 18–20 kV/mm, rezystywność skrośna 1015 Ωcm, a rezystancja powierzchniowa 1013 Ω. Niezwykłe jest to, że poprzez dodatek sadzy można uzyskać również wyroby przewodzące prąd elektryczny o rezystancji skrośnej od kilku Ωcm do 103 Ωcm. Właściwości elektryczne wyrobów silikonowych tylko w niewielkim stopniu zależą od temperatury. Nie znaleziono jeszcze materiałów gumowych, które miałyby właściwości elektryczne porównywalne do gumy silikonowej powyżej 200°C.

Kauczuki silikonowe są odporne na działanie olejów w wysokich temperaturach. Jedynie kauczuki nitrylowe i kauczuk chloroprenowy mają nieco wyższą odporność na oleje w temperaturach poniżej 100°C, ale w wyższych temperaturach przewagę zyskują wyroby silikonowe. Są one również odporne na działanie rozpuszczalników i innych związków chemicznych. Zasadniczo nie mają na nie wpływu polarne związki organiczne ani rozcieńczone kwasy lub zasady. Wzrost objętości spowodowany pęcznieniem wynosi zaledwie 10–15%. Wyroby silikonowe pęcznieją w niepolarnych związkach organicznych, ale nie rozkładają się, ani nie rozpuszczają i mogą powrócić do swojego poprzedniego stanu po usunięciu rozpuszczalnika. Guma silikonowa jest jednak podatna na działanie silnych kwasów i zasad, pod działaniem których ulega degradacji.

Kauczuki silikonowe są fizjologicznie obojętne, dlatego nadają się doskonale do zastosowań medycznych. Zaletą jest również łatwość barwienia oraz przyjemne wrażenie podczas dotyku ich powierzchni, co podnosi komfort użytkowania i estetykę urządzeń. Ponadto, silikony zawierające grupy fenylowe (PMQ) można sterylizować radiacyjnie. Wciąż opracowywane są nowe rozwiązania pozwalające sprostać wymaganiom rynkowym.

Karol Niciński

Reportaże

Forum