Сообщение по химии силикон

Обновлено: 14.05.2024

Несмотря на то, что силикон был изобретен в середине XX века, по-настоящему широкое распространение этот материал получил не так давно. Силикон применяется в технике, электронике, авто- судо- и авиастроении, медицине, химической отрасли, в пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и во многих других областях. Даже в быту практически каждый сталкивался с силиконовыми герметиками, силиконовыми трубками, силиконовыми формами для выпечки.

Что из себя представляет силикон?

Свойства силикона зависят не только от того, какая органическая группа в нем присутствует, но и от количества цепочек, длинны цепочек, количества перекрестных сшивок между звеньями. Современные методы компьютерного моделирования позволяют заранее спрогнозировать свойства нового полимера и наоборот, разработать силикон с определенными параметрами.

Все силиконы можно разделить на три большие группы в зависимости от количества звеньев, от степени сшивки цепочек между собой, от длины цепочек и молекулярной массы.
— К силиконовым жидкостям относят материалы с количеством звеньев менее 3 тысяч (силиконовые масла и смазки, теплоносители, пеногасители, амортизирующие и гидрофобизирующие жидкости).
— Силиконовые эластомеры содержат от 3 до 10 тысяч звеньев (силиконовые каучуки, герметики и компаунды холодного отверждения, резины и жидкие резины горячего отверждения).
— Силиконы с количеством звеньев более 10 тысяч и с большим количеством перекрестных связей относят к силиконовым смолам (составы для нанесения влагоустойчивых и диэлектрических покрытий).

Силиконы — это высокотехнологичные материалы, они требуют для производства сложного химического оборудования и дорогостоящих материалов, например, платиновых катализаторов.

Применение силикона

Силикон активно применяется в строительстве, медицине, пищевой и химической индустрии, в быту. В медицине силикон ценят за устойчивость к воздействию спиртов, перекиси водорода, слабых кислот и щелочей, нейтральность и абсолютную нетоксичность для человеческого организма, а также дологовечность и прочность, поэтому силиконовые медицинские трубки и изделия из силиконовой резины вытесняют резиновые медицинские трубки, груши, катетеры, наконечники, пробки и пр.

В технике и промышленности востребованы такие свойства силикона, как устойчивость к УФ и радиационному излучению, выдающиеся диэлектрические свойства, химическая инертность, сохранение эластичности при высоких и низких температурах, в пресной и морской воде. Из силикона делают уплотнители, прокладки, втулки, защитные маски, изоляторы, шланги.

Широко используются силиконовые пробки для укупорки химических колб и других емкостей, а также силиконовая лабораторная посуда и штативы для пробирок. У нас в продаже все это оборудование для химической промышленности и лабораторий, а также силиконовые медицинские трубки представлены в широком ассортименте и по доступным ценам.

Содержание

Строение

Силиконы имеют строение в виде основной неорганической кремний-кислородной цепи (…-Si-O-Si-O-Si-O-…) с присоединёнными к ней боковыми органическими группами, которые крепятся к атомам кремния. В некоторых случаях боковые органические группы могут соединять вместе две или более кремнийорганических цепей. Варьируя длину основной кремнийорганической цепи, боковые группы и перекрёстные связи, можно синтезировать силиконы с разными свойствами.

Силиконы делятся на три группы, в зависимости от молекулярного веса, степени сшивки, вида и количества органических групп у атомов кремния:

Синтез

Полиорганосилоксаны синтезируются стандартными методами химии полимеров, включая поликонденсацию и полимеризацию.

Один из наиболее распространенных методов — гидролитическая поликонденсация функционализированных диорганосиланов — дихлорсиланов, диалкокси- и диацилокси, диаминосиланов. Метод основан на гидролизе функциональных групп, ведущих к образованию неустойчивых диорганосиланолов, которые олигомеризуются с образованием циклосилоксанов:

R₂SiX₂ + 2H₂O R₂Si(OH)₂ + 2HX nR₂Si(OH)₂ (R₂Si-O)_n + H₂O

Образующиеся в реакционной смеси циклосилоксаны далее полимеризуются по анионному или катионному механизму:

Наиболее энергично процесс гидролитической поликонденсации идет с дихлорсиланами, однако в этом случае выделяется хлороводород, что, в некоторых случаях, таких как синтез полимеров для изделий медицинского назначения, неприемлемо. В этих случаях используют диацетоксисиланы — при этом в процессе гидролитической поликонденсации образуется нетоксичная уксусная кислота, однако процесс протекает значительно медленнее.

Для синтеза силиконовых каучуков с молекулярной массой ~ 600000 и выше используется ионная полимеризация заранее синтезированных циклосилоксанов.

Замещённые силановые прекурсоры с большим количеством кислотообразующих групп и меньшим количеством алкильных групп, таких как метилтрихлорсилан, могут использоваться для ввода разветвлений и/или поперечных сшивок в полимерных цепях. В идеальном случае каждая молекула такого соединения станет точкой разветвления. Это используется в производстве твёрдых силиконовых резин. Аналогично, прекурсоры с тремя метильными группами могут использоваться для ограничения молекулярного веса, поскольку каждая такая молекула реагирует с одним реакционным центром и, таким образом, образует конец силиконовой цепочки.

Современные силиконовые резины производятся из тетраэтоксисилана, который реагирует более мягко и контролируемо чем хлорсиланы.

Применение

Силикон нашел широкое применение в строительстве и в быту. Силиконы обладают рядом уникальных качеств в комбинациях, отсутствующих у любых других известных веществ: способности увеличивать или уменьшать адгезию, придавать гидрофобность, работать и сохранять свойства при экстремальных и быстроменяющихся температурах или повышенной влажности, диэлектрические свойства, биоинертность, химическая инертность, эластичность, долговечность, экологичность. Это обуславливает их высокую востребованность в разных областях.

Силиконовые жидкости и их эмульсии широко применяются в качестве или в основе:

гидрофобизирующих жидкостей, и пластичных (консистентных) смазок,
силиконовых амортизационных и демпфирующих жидкостей,
силиконовых теплоносителей и охлаждающих жидкостей,
силиконовых диэлектрических и герметизирующих составов,
силиконовых пеногасителей,
различных добавок и модификаторов.

Силиконовые эластомеры применяются в виде:

силиконовых низкомолекулярных и высокомолекулярных каучуков, холодного отверждения,
силиконовых резин горячего отверждения (высокомолекулярных),
силиконовых компаундов холодного отверждения (низкомолекулярных),
жидких силиконовых резин горячего отверждения (LSR).

Силиконовые смолы чаще всего применяются в сополимерах с другими полимерами (силикон/алкиды, силикон/полиэфиры и т. д.) в составах для нанесения покрытий, отличающихся стойкостью, электроизоляционной способностью или гидрофобностью.

Cиликон используется для изготовления уплотнений — силиконовых прокладок, колец, втулок, манжет, заглушек и многого другого. Силиконовые изделия обладают рядом качеств, позволяющих использовать их даже в таких условиях, где применение традиционных эластомеров неприемлемо. Изделия из силикона сохраняют свою работоспособность от −60 °C до +200 °C. Из морозостойких типов силиконовых резин — от −100 °C, из термостойких — до +300 °C. Уплотнительные кольца из силикона устойчивы к воздействию озона, морской и пресной воды (в том числе кипящей), спиртов, минеральных масел и топлив, слабых растворов кислот, щелочей и перекиси водорода.

Силиконовые изделия устойчивы к воздействию радиации, УФ излучения, электрических полей и разрядов. При температурах выше +100 °C они превосходят по изоляционным показателям все традиционные эластомеры. Физиологическая инертность и нетоксичность силиконовых изделий используются практически в любых промышленностях.

Вопросы словоупотребления

См. также

Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 31 мая 2011.

1 Силаны — это соединения кремния с водородом.

Все эти разновидности объединяет один компонент – кремний (Si), 14 элемент периодической системы химических элементов.

Кремний занимает второе место, после кислорода, по распространённости в земной коре (от 27 до 29 % по массе). В природе он представлен в виде соединения диоксида кремния (IV) SiO₂. К этим соединениям относиться песок, кварц, кремень, полевые шпаты и другие горные породы и минералы.

Также, кремний составляет основу силикатов и алюмосиликатов, к которым относится асбест, тальк, слюда, каолин, глинистые минералы, слюды и т.д.

Производят силикон в несколько этапов, но для начала нужно добыть первичное сырьё из земной породы.

Технология производства силикона

Технология производства силикона состоит из:

добычи сырья;
переработки сырья/очистки;
переработки в силиконовые основы.

Добыча сырья

Один из способов получения свободного кремния, это прокаливание мелкого белого песка (кварц, он же диоксид кремния) с магнием. Полученный кремний, имеет вид бурого порошка.

В зависимости от залежей, кварцевый песок добывают тремя способами:

Применяют к пескам получившимися естественным образом из разрушенной горной породы, в которой присутствуют зёрна кварца вперемежку с белой глиной.

Применяют к тому же песку, что и в первом случае, только данный песок перенесён водой или ветром с места изначального залегания. Такие залежи чище и в основном расположены в руслах высохших рек.

Монолитные скопления кварца находятся глубоко под землёй. Для их добычи строят шахты. Добывая в шахтах каменные породы их направляют на вибросита для дробления, где выделяют мелкие зёрна кварца.

Так как кварц широко применятся для стекольной промышленности, то его месторождения широко распространены в развитых странах.

Получение кремния из сырья

В промышленных масштабах кремний получают, путём восстанавливая расплав кварца коксом при температуре 1800°C. Этот процесс даёт сырьё чистотой 99,9% (основные примеси — углерод и металлы) и это технический кремний.

В зависимости от дальнейшего применения, кремний могут подвергнуть дополнительной обработке, при которой содержание примесей составляет до 0,0000001 % от массы.

В России технический кремний производится в:

г. Каменск-Уральский
г. Шелехов (Иркутская область)

Получение силикона из кремния

Если кратко, то силикон можно получить за счёт соединения диоксида кремния (кварцевого песка) и метанола, тем самым они попадают в класс синтетических кремнийорганических соединений.

Сам кварцевый песок имеет примеси, его нужно переработать и выделить из него кремний.

Метанол взрывоопасен. С воздухом в объёмных концентрациях от 7% образует взрывоопасные смеси.
Его производство требует сложной аппаратуры и надёжного оборудования, так как получают его путём синтеза оксида углерода (угарный или углекислый газ) и водорода на медь-цинковом оксидном катализаторе. Получение происходит под давлением в 69 атм и температуре 250°C.

Соединяя диоксид кремния (кварцевого песка) и метанол образуется готовое силиконовое изделие со своими физико-механическими свойствами. Этот процесс сложен.

Более того, силикон бывает разных видов и состояния, от однокомпонентных твёрдых веществ до двухкомпонентных жидких. В данной статье рассмотрим получения монолитного силикона горячего отвержения. Такое сырьё применяют для серийного и массового выпуска изделий.

Силиконовый термоотверждаемый каучук (силикон горячего отвержения) применяют для упрощения выпуска изделий. Такое сырьё представляет из себя пластичную массу (эластомер 2 ), которому можно придать форму и зафиксировать её в процессе вулканизации. Для вулканизации смесь смешивают с органическим пероксидом или платиновым катализатором.

2 Эластомеры — это полимеры, обладающие высокоэластичными свойствами и вязкостью.

Производит такое сырьё в основном: в Англии, в Германии, в Японии, в США и в Китае. Ещё его называют HCR силиконом (Heat Cured Rubber. Переводиться как Термо вулканизированная резина).
Состав материала состоит из прямых цепей с высокой молекулярной массой. Частично в состав добавляют перфторированные или фенилированные органические соединения.

Производственный процесс таких материалов у каждого производителя свой, поэтому выделить единый процесс синтеза HCR силикона нельзя.

Производство силиконов в России

HCR силиконы в России не производят. В основном это связано с инфраструктурой, рынком сбыта и стоимостью создания и ввода комплекса для получения силиконовой смеси.

Поэтому весь рынок HCR силиконов в России импортный.

В основном производство изделий из силикона в России представлено рядом предприятий, которые перерабатывают закупаемый HCR силикон в готовую продукцию. Спрос на продукцию с каждым годом растёт и объём закупок импортного сырья тоже.

Почему в России нет своего завода по выпуску HCR-силиконов?

Ранее была попытка организовать в г. Казань завод по производству силиконового каучука и герметиков (предприятие полного цикла), однако оно так и не было введено полностью в эксплуатацию и получила статус банкрота так и не начав выпуск продукции.

Наш рассказ — о крошечной системе в галактике полимерных веществ. В этой системе два центральных светила, два солнца — углерод и кремний. И десятки планет — группы атомов, радикалы, элементы. Называется эта система — кремнийорганическая химия. Кремний и углерод недаром названы светилами: оба элемента — важнейшие в природе. Без углерода не было бы флоры и фауны. А без кремния — гор и минералов. К слову в современном мире силиконы и некоторые достижения кремнийорганической химии имеют широкое и полезное применение. Например, венецианская штукатурка имеет в своем составе некоторые вещества, полученные в результате взаимодействия силикона с различными химическими соединениями.

Когда-то считали, что эти классы соединений — углеродные и кремниевые — всегда будут существовать порознь. Тот, кто однажды выбирал один из путей, почти никогда не забредал на соседний. Каждый ученый прокладывал в науке свою дорогу — вперед и только вперед. Лишь сравнительно недавно стала известна аксиома: в точке соприкосновения наук количество открытий увеличивается. Между дорогами были проложены новые пути. И первым, кто отправился по одному из них, только намеченному случайными путниками, был ученый Кузьма Андрианович Андрианов.

Иное дело — полимеры кремния. В их цепи чередуются кислород и кремний; это так называемая силоксанная связь. По строению кремниевые полимеры, например, песок, похожи на сеть, в которой бесконечно повторяются непохожие друг на друга ячейки: ячейка кремния и ячейка кислорода. Сеть эта жестка, неподатлива, термостойка и хрупка. Если объединить свойства полимеров кремния и углерода, то получатся промежуточные соединения, вещества, которые не разрушатся от жара, не побоятся сильного толчка или удара, — полимеры гибкие и небывало прочные.

А спустя год появились патенты и авторские свидетельства на промышленные методы получения силиконовых продуктов. Свойства силиконовых полимеров можно варьировать с помощью радикалов. Меняя радикалы, меняют способность полимера сопротивляться окислению, действию высоких температур, придают ему нужную вязкость и эластичность.

Сама по себе высокополимерная цепь — это еще полуфабрикат. Ее перекраивают с помощью катализаторов в готовые изделия: силиконовые жидкости и лаки, каучуки и краски, клеи, пластмассы и смолы.

Органические полимеры — спутанные нити. При нагревании они распрямляются, межмолекуряные силы взаимодействия ослабевают, нити легко сдвигаются относительно друг друга. Смазка из органических полимеров — а большинство смазок изготавливают из них — при высокой температуре становится жидкой, утекает, как вода, в любые, самые крохотные щели. Трущиеся детали быстрее изнашиваются. И все это уже при температуре плюс 100 градусов, не столь уж необычной для техники.

При охлаждении все происходит наоборот: нити переплетаются, уплотняются — нарастает вязкость. В Антарктиде, где морозы достигают минус 36 градусов, смазку из нефтяных масел можно ковать молотком, как мягкий металл.

У молекул силиконовых смазок — спиралеобразная структура. Они закручены, как мотки проволоки. При повышении температуры молекула чуть распрямляется, при охлаждении — чуть скручивается. Изменились внешние условия — изменилась форма молекулы, но межмолекулярные силы остались незатронутыми.

Удивительно малая зависимость вязкости от температуры объясняется еще и слабым взаимодействием между цепями силиконовых молекул. Органический радикал, связанный с атомом кремния, находится в непрерывном движении. Движение это стабильно от минус 100 до плюс 300 градусов. Оно не утихает ни на минуту; и в результате радикалы как бы занимают больше места. Это не мешает сближению соседних молекул.

Движение радикалов увеличивает расстояние между молекулами на ничтожно малую величину. Но межмолекулярные силы пропорциональны расстоянию между молекулами, взятому в шестой степени. Вот почему по сравнению с органическими полимерами так невелики силы притяжения между молекулами силиконов.

Углеродные полимеры беззащитны перед кислородом, они окисляются, присоединяют его к себе. Присоединяют при обычной температуре и особенно жадно — при повышенной.

Цепочка углеродного полимера — нить, с двух сторон обрамленная бахромой — радикалами. Ее в первую очередь и атакует кислород. Будто маленькие взрывы, идет окисление радикалов. В конце концов кислород проникает вглубь — к скелету, к углеродной нитке. Достаточно окислить один атом углеродной цепи, и полимер рвется. Цепь не рассыпается, если кислорода мало. Но если температура высока, а кислорода достаточно, то вся цепочка разлетается вдребезги. Даже если углеродная цепь порвалась всего в нескольких местах, цепи-коротышки обладают совершенно иными свойствами: они теряют электрическое сопротивление и механическую прочность, теплостойкость и устойчивость к агрессивным химическим веществам.

Если же кислород пошел в атаку на силиконовый полимер, то после взрывов, так как бахрома по-прежнему состоит из органических радикалов, наступает затишье. Прорвавшись в глубь полимера, кислород натыкается на жесткую сеть из атомов кислорода и кремния. Силиконовый каркас не разрушим, все связи насыщены кислородом до предела.

Конечно, есть известный предел термостойкости силиконовых полимеров, он ниже, чем у кремниевого полимера-гранита. Но он, как минимум, на 150—200 градусов выше, чем у полимеров органических. Силиконовая изоляция выдержит даже пожар. Выгорит органика, а провод остается заизолированным негорючим веществом кремнеземом — хрупким, но прочным чехлом из спекшегося леска.

Изоляция длительное время выдерживает температуру 300 градусов. А кратковременно может выдержать и 500—550 градусов. Это свойство очень ценно для промышленности. Ведь не секрет, что на короткие замыкания вследствие кратковременных перегрузок оборудования приходится 7 из каждых 10 аварий электроаппаратуры. А стоимость ремонта двигателя — две трети его стоимости. Силиконовая изоляция, которая не боится коротких замыканий, устойчива даже в пламени вольтовой дуги,— предел мечтаний электротехников. Применение такой изоляции позволяет в 5—6 раз повысить мощность двигателей.

Чтобы взлетела ракета, мало придумать реактивное топливо. При космических скоростях трение о воздух превращает ракету на какое-то время в раскаленный болид. И опять на помощь приходят специальные силиконовые покрытия, которые кратковременно могут выдержать сверхвысокие температуры. Современные реактивные двигатели, например, уже давно покрывают черными защитными кремнийорганическими лаками.

Толщина силиконовой пленки — 10 в минус 6 ступени сантиметра, это слой в несколько десятков молекул. Но пленочка в миллионные доли сантиметра влагонепроницаема. Частички воды вдруг наталкиваются на строго ориентированный частокол парафиновых углеводородных радикалов. Как иглы ежа, метильные, этильные и фенильные радикалы обрамляют кислороднокремниевую цепь, экранируя силоксановые связи. Воздуху, газу путь свободен; воде, растворителям — наглухо закрыт.

Обработанной силиконами одежде не страшен дождь. Удобна покрытая водоотталкивающим составом посуда. Сполоснул тарелку теплой водой и, не вытирая, убирай: вода не смачивает стенки чашек или тарелок, покрытых силиконовой пленкой, посуда не бывает мокрой. В такой посуде, не свертываясь, долго хранится кровь.

А что, если пропитать силиконами цемент, бетон, гипс. Покрыть силиконами дома — это не перекрашивать фасады, не менять ежегодно кровлю. Пройдет десять и двадцать лет, а окраска домов все еще будет радовать глаз своим свежим видом. Достаточно добавить три грамма силиконовой жидкости на килограмм краски, и она уже не боится влаги и пыли, не тускнеет, не трескается, не осыпается. Ее не разрушают лучи солнца и плесень.

Слайды и текст этой презентации

Силиконы (поліорганосилоксани) - кислородосодержащие высокомолекулярные кремнийорганические соединения с химической формулой [R2SiO]n, где R = органическая группа.

Силиконы делятся на три группы: 1)Силиконовые жидкости; 2)Силиконовые эластомеры; 3)Силиконовые смолы.

Изменение вязкость с температурой у них меньше, чем у всех других жидкостей, и это ставит их в один ряд с маслами, загущенными добавками смолы;
Сжимаются легче, чем обычные жидкости (из жидких силиконовых смол можно делать амортизаторы).

надежная электроизоляция;
устойчивость к воздействию химических соединений;
“грязеотталкивающая” свойство;
изготавливается из силиконовых гелей путем горячей вулканизации.

Изоляционные лаки;
защитные покрытия;
устойчивы к высокой температуре и химическим воздействиям;
связующие вещества в силиконовых красках и штукатурках.

Наполнитель - жидкий силикон;
оболочка - эластомер; операции по увеличению груди с помощью специальных силиконовых имплантантов (эндопротезов) выполняются с начала 60-х годов; силиконовый гель обладает так называемым "эффектом памяти", т.е. всегда принимает заданную форму; требует периодической смены.

Силикон в искусстве

В чем секрет популярности изделий из силикона?

Изделия из силикона могут использоваться в условиях, в которых использование традиционных эластомеров невозможно:
кольца из силикона устойчивы к воздействию морской и пресной воды, спиртов, минеральных масел и т.д.;
изделия из силикона устойчивы к механическим повреждениям;
устойчив к воздействию УФ лучей, электрических полей и разрядов.

Читайте также: