Основа структуры силиконовых материалов — неорганическая полимерная цепь из чередующихся атомов кремния (Si) и кислорода (O). Они образуют прочные «силоксановые связи (-Si-O-Si-)» — неорганический «скелет», основу полезных свойств этих материалов:
- Повышенная термостойкость обеспечивают прочные связи Si-O с энергией разрыва приблизительно 460 кДж/моль. Это намного больше энергии связи атомов углерода C-C в органических полимерах (приблизительно 350 кДж/моль). Поэтому для нарушения силоксаных связей в полимере требуется температура нагрева выше 200°C и он более устойчив к термическому размягчению и разрушению.
- Химическая инертность и биологическая совместимость: Атомы кремния в цепи макромолекулы связаны с двумя атомами кислорода и двумя боковыми органическими группами. При контролируемом нагреве в процессе вулканизации атомы кислорода или углерода замещают некоторые из этих групп и соединяют цепочки в прочный трёхмерный каркас. В результате образуется структура с насыщенными химическими связями и материал, стойкий к воздействию агрессивных сред. Он меньше вступает в реакции окисления, приобретает свойство водоотталкивания (гидрофобность).
- Гибкость и пластичность: Связи Si-O-Si не линейны, имеют сравнительно большую длину и повёрнуты одна к другой под углами около 130-150°. За счёт этого при понижении температуры изогнутые цепочки макромолекул дольше, чем у органических каучуков, сохраняют гибкость каркаса материала. Даже при температурах -50-60°C градусов силиконы сохраняют эластичность и прочность.
Влияние добавок на свойства силиконов
Базовые свойства силиконовых материалов целенаправленно расширяются и специальными добавками — наполнителями, пигментами, модификаторами:
- Расширение температурных границ:
Для повышения термостойкости до 300-350°C в смесь материалов вводят добавки на основе оксидов железа (Fe₂O₃), церия (CeO₂) и карбонатов металлов. Они замедляют разрушение силиконов при одновременном влиянии высокой температуры и окислителей.
Для сохранения гибкости при сверхнизких температурах -60-100°C используют фенилсодержащие силиконы, в которых часть метильных групп -СН₃ заменяют на фенильные -C₆H₅. Это отодвигает процесс кристаллизации материала в область более низких температур.
- Электроизоляционные свойства: Даже простые по составу силиконы диэлектрики. Для улучшения этого качества и использования изделий в высоковольтной технике в них добавляют специальные наполнители (например, оксиды алюминия, гафния или галлия), пластификаторы или модификаторы (нитрид алюминия.
- Электропроводящие свойства силиконов получают введением в диэлектрик измельчённых токопроводящих наполнителей: технического углерода (сажи), графита, порошков серебра, никеля, алюминия или проводящих оксидов. Такие включения создают в матрице полимера сеть центров образования свободных электронов и обеспечивают проводимость электрического тока.
- Теплопроводность силиконов улучшают в специальных целях, например, для отвода тепла от деталей микроэлектроники. Для этого создают «высоконаполненные» материалы с содержанием теплопроводящих добавок до 20% по массе. Чаще всего, это оксиды алюминия или цинка, нитриды алюминия или бора. Их близко расположенные в матрице частицы создают пути для отвода тепла от охлаждаемой поверхности.
- Гидрофобность (водоотталкивание) силиконов обеспечивают связанные с атомами кремния метильные или этильные группы. Они образуют на поверхности тонкий слой, который препятствует проникновению воды внутрь материала. При необходимости это свойство усиливают введением в состав специальных гидрофобных модификаторов.
- Химическая и маслобензостойкость:
Для улучшения устойчивости к углеводородам, маслам и топливам используют фторирование силиконов. При этом у полученных фторсиликонов часть метильных групп заменяют трифторпропилом (-CH₂-CH₂-CF₃). В результате снижается набухание материала в средах неполярных углеводородов.
Химическую кислото- и щелочестойкость повышают специальными инертными наполнителями (диоксид титана, сульфат бария) и тщательным подбором вулканизирующих систем.
Таким образом, в материалах, называемых «силиконы», неорганическая силоксановая основа отвечает за фундаментальную стабильность, а с помощью совместимых с ней добавок технологи могут «точно настраивать» свойства продукта под конкретные, в том числе экстремальные, условия эксплуатации.
