De indruk die veel mensen van siliconen hebben, is te vinden in de keuken: bakpannen, schoppen, cakevormen, die zacht in de hand liggen maar zeer hitte-bestendig zijn als ze in de oven worden geplaatst; Zelfs als je uit een hoge temperatuur van meer dan 200 graden komt, is er geen zichtbaar "smelten".
Zachte materialen waarmee we gewoonlijk in contact komen, zoals plastic zakken, elastiekjes, schuimkatoen, worden plakkerig, vervormd of zelfs gesmolten als de temperatuur hoog is
Waarom kunnen siliconen "intuïtief tegengaan" zachtheid en hoge temperatuurbestendigheid bereiken? Vandaag zullen we deze kwestie uitleggen, van structuur, elektronisch gedrag tot technische toepassingen.
01 Haal het skelet uit elkaar en bekijk het
Siliconen (meer precies, siliconenrubber gevulkaniseerd bij kamertemperatuur of hoge temperatuur, met een hoofdketen van polydimethylsiloxaan, PDMS) heeft een heel ander "skelet" dan gewone organische rubber - Si-O-Si anorganische organische hybride hoofdketen. Deze hoofdketen bepaalt tegelijkertijd de "zachtheid" en de "hittebestendigheid".
Waarom is het zacht?
Langere bindingslengte en bredere bindingshoek: Si-O-bindingen zijn langer dan C-C-bindingen, en de bindingshoek van Si-O-Si is ook groter. De combinatie van deze twee dingen laat een grotere "bewegingsruimte" over voor het kettingsegment om te roteren, waardoor het gemakkelijker wordt voor de ketting om heen en weer te buigen - de glasovergangstemperatuur (Tg) is daarom erg laag (PDMS Tg ligt vaak rond de -120 graden). In een wereld waar de kamertemperatuur veel hoger is dan Tg, is het van nature een "weekdier".
Zijbasis "smering": De meest voorkomende siliconen zijbasis is - CH3. Methylgroepen zijn klein van formaat en hebben zwakke interacties met elkaar. De kettingen plakken niet erg "kleverig" aan elkaar, zoals het aanbrengen van een onzichtbare smeerolie op moleculair niveau. Macroscopisch lijken ze zacht en hebben ze een zachte rebound.
Lage rotatiebarrière: de rotatieweerstand rond de Si-O-binding is klein en de segmenten zijn flexibel, net als onderling verbonden verbindingen, wat ook de microscopische bron is van lage Tg.
Waarom is het hittebestendig-?
De Si-O-binding zelf is zeer goed in staat om te breken: de bindingsenergie van de Si-O-binding is aanzienlijk hoger dan die van typische C-C- en C-O-bindingen, waardoor er meer energie nodig is om deze te "breken", zodat deze niet gemakkelijk wordt verbroken bij hoge temperaturen.
Anorganisch skelet: De hoofdketen van organisch rubber is over het algemeen C-C of C-O, dat gevoeliger is voor aantasting door reactieve vrije radicalen onder omstandigheden van hete zuurstof; De Si-O-hoofdketen is stabieler en ondergaat langzamere thermische oxidatieve veroudering.
Wordt geleverd met een beschermend omhulsel in geval van brand: siliconenrubber genereert bij hoge temperaturen/open vuur een dichte anorganische aslaag die lijkt op siliciumdioxide (SiO₂), en bedekt zichzelf snel met een hitte-resistent omhulsel om te voorkomen dat warmte en zuurstof binnendringen. Daarom wordt het doorgaans gekenmerkt door "zelfdovend" en "niet druipend".
Samenvatting in één zin:
Zachtheid komt voort uit de flexibiliteit van ketens en zwakke intermoleculaire interacties, terwijl hittebestendigheid voortkomt uit sterke Si-O-bindingen en anorganische pyrolyseproducten. Deze twee zaken zijn niet tegenstrijdig.
