Силикон — полимер на основе кремния¶
Силикон — общее название группы синтетических полимеров, основу которых составляет цепь чередующихся атомов кремния и кислорода (—Si—O—Si—O—), с органическими группами, присоединёнными к атомам кремния. Термин «силикон» происходит от латинского названия кремния — silicium. Силиконы сочетают свойства неорганических соединений (термостойкость, химическая инертность) и органических полимеров (гибкость, водоотталкивание), что определяет их широкое применение в промышленности, медицине и быту.
¶Строение и состав
Основа макромолекулы силикона — полисилоксановая цепь, состоящая из звеньев —Si(CH₃)₂—O—. Каждый атом кремния связан с двумя атомами кислорода (образуя основную цепь) и двумя органическими группами, обычно метильными (—CH₃). Такая структура отличает силиконы от органических полимеров, у которых цепь построена на атомах углерода: связь Si—O значительно прочнее связи C—C (по разным оценкам, 452 против 348 кДж/моль), что обеспечивает силиконам повышенную термостойкость.
В зависимости от строения боковых групп и степени полимеризации получают материалы разных типов: жидкие масла, полужидкие пасты, эластичные каучуки и твёрдые пластики. Молекулярная масса масел составляет обычно 500—100 000, каучуков — от 200 000 до 1 000 000 и более.
¶Классификация
Силиконы делятся на несколько основных классов:
| Класс | Агрегатное состояние | Основные свойства |
|---|---|---|
| Силиконовые масла | Жидкость | Химически инертны, малая летучесть, широкий диапазон рабочих температур |
| Силиконовые каучуки | Эластичные твёрдые тела | Термостойкость (−60…+250 °C), газопроницаемость, биологическая инертность |
| Силиконовые смолы | Твёрдые термореактопласты | Высокая адгезия, диэлектрические свойства |
| Силиконовые пластикаты | Твёрдые пластмассы | Прочность, износостойкость |
¶Свойства
Силиконы обладают набором характеристик, редко встречающихся в других классах материалов:
- Термостойкость. Каучуки сохраняют эластичность в диапазоне от −60 до +250 °C, отдельные марки — до +300 °C. При этом свойства меняются слабо по сравнению с органическими полимерами.
- Химическая инертность. Силиконы устойчивы к действию озона, ультрафиолета, кислорода, многих кислот и щелочей.
- Диэлектрические свойства. Электрическая прочность порядка 20—30 кВ/мм, что позволяет применять силиконы как изоляционные материалы.
- Гидрофобность. Поверхностное натяжение силиконовых масел очень низкое (около 20—22 мН/м), что обеспечивает водоотталкивающий эффект и смазывающую способность.
- Биологическая инертность. Силиконы не вызывают отторжения тканей, не токсичны, что делает их пригодными для медицинских имплантов и косметики.
- Газопроницаемость. Силиконовые каучуки пропускают кислород и углекислый газ, что важно для медицинских и пищевых применений.
¶Получение
Основной промышленный метод — гидролиз и конденсация хлорсиланов. На первом этапе металлический кремний взаимодействует с хлорметаном при 300 °C в присутствии меди как катализатора (реакция Мюллера), в результате чего получается смесь хлорметилсиланов, преимущественно диметилдихлорсилан (CH₃)₂SiCl₂. При гидролизе диметилдихлорсилана образуется полисилоксановая цепь, которая затем модифицируется в зависимости от требуемого продукта.
В СССР промышленное производство силиконов было развёрнуто в 1930—1950-х годах. Основным предприятием стал завод «Кремнийпласт» (ныне ПАО «Кремнийпласт», Воронеж), созданный в 1950-х годах. Сегодня крупнейшими мировыми производителями силиконов являются Dow, Wacker Chemie, Momentive и Shin-Etsu; в России силиконовую продукцию выпускают «Кремнийпласт», «Силтек» и ряд других предприятий.
¶Применение
Силиконы применяются практически во всех отраслях:
- Строительство — герметики, швы между панелями, гидроизоляция, добавки в бетон.
- Электротехника — изоляция проводов, диэлектрические пасты, корпуса электронных компонентов.
- Медицина — импланты (суставы, молочные протезы, кардиостимуляторы), катетеры, шприцы, контактные линзы.
- Пищевая промышленность — формы для выпечки, конвейерные ленты.
- Косметика — силиконовые масла (циклометикон, диметикон) входят в состав кремов, шампуней, средств для укладки волос.
- Автомобилестроение — прокладки, уплотнители, тормозные жидкости.
- Текстиль — водоотталкивающая пропитка тканей.
¶Силикон и кремний: различия
Часто возникает путаница между силиконом (полимером) и кремнием (химическим элементом, Si). Кремний — неметалл, второй по распространённости элемент в земной коре (около 28 % по массе), основа полупроводниковой техники. Силикон — органико-неорганический полимер, материал, получаемый из кремнийсодержащих соединений. В русскоязычной инженерной практике слово «силикон» иногда ошибочно употребляется для обозначения кремния, однако в научном и техническом языке различие проводится чётко.
¶Экологические и медицинские аспекты
Силиконы считаются малотоксичными. Отдельные исследования изучают долгосрочную безопасность силиконовых имплантов, однако по состоянию на 2020-е годы медицинские силиконы одобрены регуляторами большинства стран для использования в контакте с тканями и пищевыми продуктами. Утилизация силиконовых изделий затруднена: материал не подвергается быстрому биологическому разложению, однако он химически инертен и не выделяет токсичных веществ в окружающую среду.
Источники:
- Кренцова Н. А. «Силиконовые каучуки и изделия из них». — М.: Химия.
- Марковский Л. И. «Химия кремнийорганических соединений». — М.: Высшая школа.
- Воронков М. Г., Лапшин В. Б. «Силиконовые герметики». — Новосибирск: Наука.
- Dow Corning Technical Handbook: Silicone Materials.
- Энциклопедия «Британника», статья Silicone.