Силикон: свойства, виды и применение¶

Силикон — собирательное название синтетических полимеров на основе кремния и кислорода, основу молекулярной цепи которых составляет силоксановая связь (Si—O—Si), а к атомам кремния присоединены органические группы, чаще всего метильные. В русскоязычной технической традиции термин закрепился за кремнийорганическими соединениями — силиконами, тогда как в ряде европейских языков и в быту «силиконом» нередко называют также полидиметилсилоксан и изделия из него. Силиконы относятся к классу элементоорганических полимеров и сочетают свойства минеральных стекловидных материалов и органических полимеров: термостойкость, эластичность, гидрофобность и химическую инертность.

¶Терминология

Разграничение терминов важно для точного понимания. Кремний (Si) — химический элемент; кремнийорганические соединения (силиконы) — синтетические полимеры с цепью из атомов кремния и кислорода; кремнезём (диоксид кремния, SiO₂) — природный минерал, основа кварцевого песка и стекла. В английском языке закрепилось слово silicone, введённое в 1901 году английским химиком Фредериком Киппингом. В русском языке под влиянием английского утвердилась форма «силикон», хотя по правилам словообразования от «кремний» корректнее было бы «силиций» или «кремнийорганика». Путаница между силиконом и кремнием — распространённая бытовая ошибка.

¶История

Предпосылки создания кремнийорганических соединений заложил в 1863 году французский химик Шарль Фридель, получивший тетраэтилсилан. Систематические исследования начались в 1930-х годах независимо в США (компания Corning Glass Works, химик Джеймс Франклин Хайд) и в СССР. В 1937 году в Советском Союзе под руководством академика К. А. Андрианова были начаты работы по синтезу кремнийорганических полимеров, а в 1947 году за их разработку и внедрение в промышленность коллективу химиков была присуждена Сталинская премия. В послевоенные годы в СССР сложилась собственная школа химии кремнийорганических соединений; промышленное производство силиконов было налажено на предприятиях химической отрасли. Силиконы нашли применение в авиации, электротехнике, медицине и бытовой технике.

¶Химическое строение и свойства

Основу силиконов составляет силоксановая цепь, чередование атомов кремния и кислорода. Боковые органические радикалы (метил, фенил, винил и другие) определяют свойства конкретного полимера. Ключевые характеристики:

• Термостойкость — рабочий диапазон от −60 до +250 °C и выше для отдельных марок;
• Эластичность — способность сохранять гибкость при низких температурах;
• Гидрофобность — водоотталкивающие свойства;
• Химическая инертность — устойчивость к кислотам, щелочам, окислителям;
• Диэлектрические свойства — высокое удельное сопротивление;
• Физиологическая инертность — отсутствие токсичности для большинства марок.

¶Классификация

По консистенции и назначению выделяют несколько групп:

Отдельно выделяют полидиметилсилоксан — наиболее распространённый представитель класса.

¶Применение

Силиконы используются в десятках отраслей. В электротехнике и электронике — как изоляционные материалы, теплопроводящие пасты, защитные покрытия. В строительстве — как герметики для швов, санитарные силиконы для ванных комнат, гидрофобизаторы для фасадов. В медицине — для имплантатов, катетеров, дренажей, шприцев и медицинских трубок, поскольку материал не вызывает отторжения и выдерживает стерилизацию. В косметологии — как основа для кремов и средств по уходу за кожей. В пищевой промышленности — для форм при выпечке. В автомобилестроении — для уплотнений, шлангов, прокладок. В авиации и космонавтике — благодаря устойчивости к перепадам температур и вакууму.

¶Силикон в быту и медицине

Наиболее известные бытовые формы — санитарный герметик, формы для выпечки, коврики, чехлы для смартфонов. В медицине применяются силиконовые имплантаты молочных желёз, суставные протезы, контактные линзы (в составе гидрогелей). Силиконовые трубки и катетеры широко используются в хирургии и анестезиологии. Материал инертен, не вступает в реакцию с тканями организма, что делает его пригодным для длительного контакта с биологическими средами.

¶Производство

Сырьём служит кварцевый песок, из которого получают металлический кремний, далее — хлорсиланы, гидролизуемые в силанолы, которые поликонденсируются в силоксановые полимеры. Крупнейшие производители — международные химические корпорации; в России производство кремнийорганических соединений сосредоточено на специализированных химических предприятиях.

¶Критика и ограничения

Силиконы не лишены недостатков. Они плохо поддаются окрашиванию и склеиванию, имеют относительно высокую стоимость, а при горении могут выделять токсичные продукты. Существует обеспокоенность по поводу накопления силиконов в окружающей среде: они практически не разлагаются естественным путём. В косметике силиконы критикуют за создание плёнки на коже и волосах, что может затруднять доступ питательных веществ. Ряд исследований указывает на возможную связь некоторых силиконовых соединений с эндокринными нарушениями, однако однозначных выводов научное сообщество не сделало.

¶Интересные факты

• Слово «силикон» ввёл химик Фредерик Киппинг в 1901 году, образовав его от латинского silex — «кремень».
• Силиконовые герметики застывают при контакте с влагой воздуха, а не при испарении растворителя.
• Силиконовые формы выдерживают температуры выше, чем металлические формы для выпечки, не деформируясь.
• В СССР кремнийорганические соединения выпускались под марками, многие из которых используются до сих пор.

Источники: Андрианов К. А. «Кремнийорганические соединения»; Киппинг Ф. С. работы по химии кремния; технические справочники по полимерам; материалы отраслевых химических изданий.