كل ما تحتاج إلى معرفته عن إلاستومر السيليكون واستخداماته

هناك العديد من المصطلحات المستخدمة للإشارة إلى المواد المستخدمة في تصنيع المنتجات القائمة على السيليكون. ولذلك، قد يكون فهم مادة معينة لاتخاذ القرارات أمرًا مُربكًا. ومن هذه المصطلحات "إلاستومرات السيليكون". في هذه المقالة، ستتعرف على كل ما تحتاج لمعرفته حول هذا المصطلح.

ما هو إلاستومر السيليكون؟

يمكن تعريف إلاستومر السيليكوني من جزأين: السيليكون والإيلاستومر. أولًا، السيليكون بلاستيك من الناحية التقنية. إلا أن تكوينه وبنيته الجزيئية وخصائصه تختلف عن البلاستيك العادي. كيميائيًا، يمكن تصنيفه كبوليمر صناعي مصنوع من مركبات السيليكون والأكسجين ذات مجموعات ميثيل متكررة. 

من ناحية أخرى، تُعتبر الإيلاستومرات مواد شبيهة بالمطاط. كيميائيًا، تُعتبر بوليمرات، لكن مركباتها ضعيفة الترابط، وهذا ما يمنحها طابعًا مرنًا. المطاط الصناعي مثال على الإيلاستومر.

بناءً على ذلك، نستنتج أن إلاستومرات السيليكون هي بوليمرات صناعية مترابطة بشكل غير محكم. الفرق الرئيسي بين إلاستومرات السيليكون والبلاستيك هو أن عملية المعالجة تُنتج رابطة دائمة لا يمكن تعديلها تحت درجات حرارة عالية.

بمعنى آخر، يُمكن استخدام مصطلحي السيليكون وإيلاستومر السيليكون بالتبادل للدلالة على الشيء نفسه. في علم المواد، يُستخدم مصطلحا بولي سيلوكسان وسيلوكسان أيضًا للإشارة إلى إلاستومرات السيليكون. وأخيرًا، يستخدم المجتمع الدولي الاختصارات القياسية للسيليكون مثل VMQ وPMQ وPVMQ.

نظرة عامة على إلاستومرات السيليكون

يتميز السيليكون بخصائص ومميزات عديدة تميزه عن غيره من أنواع البوليمرات الصناعية. فهو يتميز بخصائص فريدة تجعله مناسبًا للاستخدام في بيئات محددة. دعونا نستكشف هذه الخصائص.

الخصائص الكيميائية لمطاط السيليكون

تشير الخاصية الكيميائية للمادة إلى كيفية تأثر بنيتها الجزيئية بظروف معينة. تتميز تركيبة إلاستومرات السيليكون بالخصائص الكيميائية التالية.

المقاومة الكيميائية 

المقاومة الكيميائية للسيليكون هي قدرته على تحمل البيئات التآكلية دون أن يتحلل. تُعرف أيضًا بالخمول. عمومًا، تتوافق مطاطات السيليكون مع العديد من المواد الكيميائية، مما يعني أن تحملها الكيميائي مرتفع. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن هناك حدودًا معينة تتلاشى فيها هذه المقاومة.

أ مخطط المقاومة يُستخدم للإشارة إلى مستويات مقاومة السيليكون للمواد الكيميائية. يوضح هذا الرسم البياني المواد الكيميائية التي يقاومها السيليكون ومدى مقاومتها. بشكل عام، توجد المواد الكيميائية في الأحماض والشحوم والزيوت والمركبات العضوية. يمكنك تحديد مستوى تحمل السيليكون بناءً على البيئة التي تنوي استخدام المادة فيها.

المقاومة الحرارية

في حين أن الإيلاستومرات لا تتأثر بالحرارة من الناحية التقنية، إلا أن هناك حدودًا معينةً يُمكن للمنتجات القائمة على السيليكون أن تحافظ فيها على الطاقة الحرارية. على سبيل المثال، يمكن أن تظل الإيلاستومرات السيليكونية غير مشوهة عند درجات حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية.ا ج. تذوب معظم البوليمرات في نفس فئة البلاستيك عند درجات حرارة منخفضة بشكل كبير.

المقاومة الحرارية الممتازة للسيليكون تجعله مناسبًا لتصنيع المنتجات المستخدمة في بيئات عالية الحرارة. ومن الأمثلة الجيدة على ذلك: أدوات المطبخ. 

مقاومة الأشعة فوق البنفسجية

يُستخدم مصطلح آخر للإشارة إلى مقاومة الأشعة فوق البنفسجية وهو "القدرة على مقاومة العوامل الجوية". يُحدد هذا المصطلح سلوك السيليكون عند تعرضه للأشعة فوق البنفسجية، وخاصةً من الشمس. تُعد مقاومة الأشعة فوق البنفسجية أمرًا بالغ الأهمية، نظرًا لأن معظم منتجات السيليكون مُصممة للاستخدامات الخارجية. 

تُعد القدرة على مقاومة الأشعة فوق البنفسجية أمرًا أساسيًا لضمان سلامة التركيب الجزيئي للسيليكون. يؤثر التعرض الطويل للأشعة فوق البنفسجية على مرونة إلاستومرات السيليكون، وهي مفيدة في صناعة مواد الختم والحشيات الثابتة. ولحسن الحظ، تتميز إلاستومرات السيليكون بمقاومة عالية للتلف الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية.

مقاومة الزيت والمذيبات 

الزيوت والمذيبات متوافقة مع إلاستومرات السيليكون، ولها تأثير ضئيل على بنيتها وشكلها. بمعنى آخر، لا تتأثر هذه المادة بعوامل التركيب الكيميائي الموجودة في الزيوت المعدنية والمركبات العضوية القطبية. ويتميز السيليكون، على وجه الخصوص، بمقاومة ممتازة لمعظم الزيوت التي تقل عن 100.اج. 

مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن السيليكون ينتفخ عند عدم تعرضه للمركبات العضوية غير القطبية مثل البنزين والتولوين والبنزين. والخبر السار هو أن هذا الانتفاخ يختفي بعد إزالته من المركب.

مقاومة التيار الكهربائي

السيليكون، أحد عناصر السيليكون، موصل رديء للكهرباء. لذا، يُشير ذلك إلى أن السيليكون يتمتع بمقاومة عالية للتيار الكهربائي. هذه الخاصية الكيميائية تجعله مادة عازلة ممتازة للمعدات الكهربائية. نادرًا ما تتأثر هذه المقاومة بعوامل خارجية مثل درجة الحرارة أو الموصلات الكهربائية مثل الماء. لهذا السبب، يُمكن اعتبار إلاستومر السيليكون مادة عازلة.

الخصائص الميكانيكية لمطاط السيليكون

توضح هذه الخصائص سلوك إلاستومرات السيليكون عند تعرضها لإجهاد خارجي على شكل قوة. في معظم الحالات، تُقاس هذه الخصائص على إلاستومرات سيليكون مُعالجة للحصول على القيم الفعلية التي ستظهرها المنتجات.

الاستطالة عند الانكسار

إذا كان السيليكون يتمتع باستطالة ممتازة، فهذا يعني أنه قادر على تحمل الضغط المتوقع الناجم عن تمدد منتج السيليكون.

الاستطالة عند الكسر هي طول امتداد الإيلاستومر قبل أن ينكسر. في هذه الحالة، كلما زادت المسافة، زادت مقاومة الكسر. تختلف نسب الاستطالة عند الكسر بين أنواع الإيلاستومرات السيليكونية المختلفة، وعادةً ما تكون عالية. تُختبر هذه الخاصية مع قوى التمزق والشد نظرًا لارتباطهما. 

صلابة

الصلابة هي مقياس لمقاومة التشوه تحت ضغط الانضغاط. بمعنى آخر، كيف يتحمل إلاستومر السيليكون قوة الانضغاط؟ يُسمى هذا أيضًا مقياس صلابة، وله مقاييس مختلفة حسب المقاومة.

يمكن أن تكون إلاستومرات السيليكون لينة أو صلبة. ويعتمد ذلك على كثافة عوامل الربط المتقاطع وخصائص أخرى. ويعود سبب اختلاف مقاييس صلابة السيليكون إلى أن كلاً من المواد اللينة والكثيفة مفيدة في تطبيقات محددة. 

قوة التمزق 

قوة التمزق مقياسٌ أساسيٌّ لأداء السيليكون تحت الضغط الميكانيكي. وهي مقياسٌ لسهولة تمزق السيليكون المُتشقق. ولأن السيليكون يتطلب قوةً أقل للتمزق، فهذا يعني ضعف مقاومته للتمزق.

تُحاكي هذه الخاصية ظروف التآكل والتلف المتوقعة عند استخدام منتج سيليكون. كلما كانت المقاومة أفضل، زادت قدرة المنتج على تحمل بيئات الضغط العالي. تُقاس قوة التآكل بالرطل لكل بوصة (ppi). 

قوة الشد 

القوة اللازمة لكسر السيليكون عند تعرضه للشد تُسمى قوة الشد. عندما تتمتع مادة ما بقوة شد عالية، فهذا يعني أنها تتطلب قوة كبيرة لكسرها، وهذا ينطبق على السيليكون. فبينما تكون القوة العامة عالية عادةً، تعتمد القوة النوعية على نوع إلاستومر السيليكون المستخدم.

مقاومة التآكل

في حين أن بعض أنواع الإيلاستومرات تتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل، فإن السيليكون لا يتحمل البيئات الكاشطة. التآكل هو التآكل الناتج عن الاحتكاك المتكرر بالسطح الخارجي للمادة.

تتميز مطاطات السيليكون بمقاومة ضعيفة للتآكل نظرًا لانخفاض مقاومتها للتمزق. ولذلك، يُنصح باستخدام السيليكون في المنتجات التي غالبًا ما تكون ساكنة وليست متحركة. فإذا كانت حركة المنتج محدودة، يعمل السيليكون بكفاءة عالية دون أن يتآكل بسرعة.

كيمياء إلاستومر السيليكون

إن فهم السيليكون على المستوى الجزيئي مفيدٌ لعدّة أسباب. أولًا، ستُدرك كيفية تصنيع المادة. ثانيًا، ستتمكّن من التمييز بسهولة بين مختلف أشكال السيليكون. 

في تعريف إلاستومرات السيليكون، سبق أن أوضحنا أن السيليكونات عبارة عن بوليمرات تحتوي على مركبات سيليكون-أكسجين ومجموعات ميثيل. يوجد السيليكون طبيعيًا في مختلف الصخور، ويُستخرج باستخدام عمليات خاصة. 

يتحد السيليكون مع الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد السيليكون (SiO2). في المختبر، يخضع هذا المركب لعملية البلمرة، التي تتضمن إضافة مجموعات ميثيل، لتكوين السيليكون أو بوليمر السيليكون. هذا هو التفسير الأساسي لكيفية تصنيع السيليكون. ومن الواضح أنه يخضع لعمليات تنقية وتكرير أخرى ليصبح صالحًا للاستخدام.

الإيلاستومرات الحرارية البلاستيكية (TPEs) مقابل المواد الصلبة بالحرارة

وضعت الهيئات التنظيمية المُشرفة على استخدام البوليمرات الاصطناعية تصنيفًا للتمييز بين مختلف أشكال الإيلاستومرات. في هذا السياق، لدينا فئتان وثيقتا الصلة، وإن كانتا مختلفتين. هما الإيلاستومرات الحرارية البلاستيكية والصلبة بالحرارة. يتمتع كلاهما بخصائص مطاطية مثل التمدد.

الفرق الرئيسي بين هاتين الفئتين من الإيلاستومرات هو أن الإيلاستومرات الحرارية اللدنة قابلة للتشوه بالحرارة، بينما لا يمكن للبلاستيكات الحرارية الصلبة ذلك. بمعنى آخر، يمكن للبلاستيكات الحرارية أن تنصهر عند درجات حرارة معينة.

تُنشئ تقنية الربط المتقاطع المستخدمة لربط الإيلاستومرات الحرارية رابطة تساهمية دائمة أثناء المعالجة. هذه الرابطة فضفاضة مما يجعلها مرنة، لكنها قوية بما يكفي لمنع التشوه تحت درجات الحرارة العالية. 

إلاستومرات السيليكونية كمواد صلبة بالحرارة 

تُعرّف خصائص المواد الصلبة بالحرارة التي ناقشناها سابقًا مطاط السيليكون. يُعدّ السيليكون أحد الأمثلة العديدة على المواد الصلبة بالحرارة. مطاط السيليكون نوع خاص من البلاستيك يُعرف بالبلاستيك الصلب بالحرارة. ما يميزه عن البلاستيك العادي هو عملية المعالجة.

أثناء عملية معالجة السيليكون، تُغيّر عوامل المعالجة البنية الجزيئية والترابط بين المجموعات المختلفة. الرابطة التساهمية الناتجة دائمة، أي يصعب تغييرها، على عكس اللدائن الحرارية. وهذا ما يفسر استحالة ذوبان السيليكون تقريبًا، أو امتلاكه قدرة عالية على تحمل درجات الحرارة.

اختبار إلاستومر السيليكون

يجب التحقق من خصائص السيليكون قبل بدء عمليات الطحن أو التصنيع. كما تُجرى اختبارات أخرى أثناء عمليات التصنيع. 

معايير اختبار ASTM لمواد الإيلاستومر السيليكونية

ASTM هي هيئة دولية تُنظّم معايير التعامل مع مختلف المواد، بما في ذلك السيليكون. وتضع هذه الهيئة إرشادات لاختبارات إلاستومر السيليكون، والتي تُبيّن القيم المعتمدة، بالإضافة إلى إجراءات تنظيمية أخرى. 

توجد معايير اختبار إلاستومر السيليكون تحت معايير المطاطيقدم هذا الدليل إرشادات عامة للاختبارات. تُحدد الاختبارات المحددة بناءً على نوع إلاستومر السيليكون المستخدم.

اختبارات خصائص إلاستومر السيليكون الرئيسية 

إن استخدام السيليكون، وعملية تصنيعه، ونوعه هي العوامل الرئيسية التي تحدد الاختبارات المناسبة. وذلك لأن هذه الاختبارات تُؤكد الخصائص المطلوبة وتُحدد طريقة التصنيع.

سبب آخر لتضييق نطاق الاختبارات هو تعدد الاختبارات المتاحة بقدر تعدد خصائص السيليكون. للتوضيح، يمكن اختبار جميع الخصائص تقريبًا باستخدام اختبارات متعددة. على سبيل المثال، يمكن اختبار مقاومة الأشعة فوق البنفسجية وحدها من خلال اختبارات كيميائية وفيزيائية متعددة. انقر هنا لاستكشاف... معايير اختبار مقاومة الأشعة فوق البنفسجية للسيليكون.

تشمل الاختبارات العامة التي تُجرى على جميع أنواع إلاستومرات السيليكون مقياس صلابة المطاط، ومعامل المرونة، ومعامل الاستطالة. تُحاكي هذه الاختبارات بدقة قدرة منتج السيليكون على تحمل الإجهاد الميكانيكي. 

العوامل المؤثرة على أداء إلاستومرات السيليكونية

مع أن السيليكون يكاد يكون محصنًا ضد العديد من عوامل الضغط، إلا أن هناك ظروفًا تؤثر سلبًا على أدائه. هناك عوامل تُحدد مدى جودة أو ضعف أداء منتج السيليكون. إليك بعض هذه العوامل.

مُسرِّعات الشيخوخة والتدهور

مع مرور الوقت، تتدهور جودة منتجات السيليكون، سواءً أثناء الاستخدام أو التخزين. وقد تتسارع أو تتباطأ عملية فقدان الجودة تبعًا للبيئة وظروف التخزين والجودة.

قد تؤدي الظروف غير المواتية إلى شيخوخة مبكرة لمنتج السيليكون. للتوضيح، إذا استُخدم السيليكون في بيئة لا يتحملها، فسيشيخ ويتحلل أسرع من المتوقع. وبالمثل، إذا حُفظ في بيئة تحتوي على عوامل ضغط معينة، مثل الأوزون، فإنه يميل إلى التدهور بمعدل أعلى بكثير. بمعنى آخر، تتدهور خصائصه.

نوع إلاستومر السيليكون

هناك عدة أنواع من إلاستومرات السيليكون. من أشهرها المطاط عالي الاتساق (HCR)، والمطاط المُبَرْكَن بدرجة حرارة الغرفة (RTV)، والمطاط السيليكوني السائل (LSR). يتميز كل نوع من هذه الأنواع بخصائصه الفريدة وتركيبه الجزيئي.

يؤثر نوع المطاط الصناعي على أدائه بطرق عديدة. على سبيل المثال، تختلف طرق المعالجة باختلاف الأنواع أثناء التصنيع. وكما رأينا سابقًا، تؤثر المعالجة على خصائص المطاط. كما أن النوع يحدد نوع المنتج الذي يمكن تصنيعه، والذي بدوره يحدد مكان استخدامه. يتأثر الأداء بالبيئة المحيطة.

عملية المعالجة والتصنيع 

تُعالَج إلاستومرات السيليكونية بطرق مختلفة. تشمل أنظمة المعالجة الشائعة: أنظمة البيروكسيد، وأنظمة التحفيز بالبلاتين، والتكثيف، والأوكسيمي. تُعزَّز هذه الأنظمة بإضافة الحرارة أو الضغط.

بما أن المعالجة تهدف إلى تقوية الإيلاستومر، فقد يكون لها آثار سلبية أو إيجابية على أدائه. يؤثر نوع نظام المعالجة المستخدم على استقرار السيليكون على المستوى الجزيئي، مما ينعكس على خصائص المنتج النهائي. ولحسن الحظ، يمكن تعزيز الاستقرار بإجراء معالجة لاحقة على منتج سيليكون.

العوامل البيئية

تُصنع منتجات السيليكون لتطبيقات متنوعة. هذا يعني أن المادة قابلة للتأثر بظروف قاسية أو مواتية طوال عمرها الافتراضي. يحافظ السيليكون على أدائه بناءً على شدة الظروف الخارجية.

عوامل الضغط، مثل درجة الحرارة والأشعة فوق البنفسجية والتوتر، تُضعف الخواص الميكانيكية للسيليكون. مع ذلك، إذا كان من الممكن صيانة منتج السيليكون، يُرجى اتباع الممارسات الموصى بها للحصول على أفضل النتائج.

التوافق مع المواد الأخرى 

تُعد القدرة على التوافق مع المواد الأخرى جانبًا مهمًا يؤثر على أداء إلاستومرات السيليكون. ويعني التوافق في هذه الحالة القدرة على التعايش أو التفاعل مع مواد أخرى دون فقدان خصائصه. وبشكل عام، يتوافق السيليكون مع معظم المواد، مثل الأحماض والقواعد غير العضوية المخففة، والزيوت المعدنية.

على الرغم من توافقه، إلا أن قدرته على تحمل مواد معينة محدودة. قد يؤثر هذا القيد سلبًا على أدائه. لذلك، يُنصح باستخدام السيليكون المتوافق مع البيئة المحيطة لتحقيق أداء أطول.

مزايا إلاستومرات السيليكون 

يُعد السيليكون المادة المُفضّلة لأسباب عديدة. وتحديدًا، يتميز بمزايا عديدة تجعله متفوقًا على المواد الأخرى في فئته. وتتمثل معظم هذه المزايا في خصائصه الفائقة. دعونا نلخصها فيما يلي:

• مواد عالية الجودة: يتميز السيليكون بخصائص عديدة تُناسب مختلف التطبيقات. جودته مناسبة للاستخدام في البيئات القاسية وعالية الأداء، نظرًا لمقاومته العالية.
• متين: هذا يعني أن السيليكون قادر على العمل في المناطق الصعبة لفترات طويلة دون أن يفقد خصائصه. المواد المتينة فعّالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة.
• متنوع القدراتمن حيث التطبيق، تتميز إلاستومرات السيليكون بتعدد استخداماتها، إذ يُمكن استخدامها في مجالات متعددة. يُعدّ تعدد الاستخدامات أمرًا بالغ الأهمية، إذ يعني إمكانية توزيع خصائص السيليكون على مجالات متعددة.

تجدر الإشارة إلى أن معظم هذه الفوائد تعتمد على نوع إلاستومر السيليكون المستخدم، أي أن الفوائد تختلف من نوع لآخر.

عيوب إلاستومرات السيليكون 

على الرغم من فوائد هذه المادة، إلا أن لها عيوبها. فهناك عدد من العيوب التي تحد من استخدامها، وسهولة الوصول إليها، وملاءمتها. من بين هذه العيوب ما يلي:

• مكلفة نسبيا: بفضل خصائصه الممتازة، يأتي السيليكون بسعر مرتفع. خاصةً أن التكلفة الأولية للسيليكون مرتفعة. ومع ذلك، من الناحية الإيجابية، يُعوّض هذا السعر بأدائه الأمثل وقلة صيانته.
• عدم التوافق: على الرغم من توافق السيليكون مع بعض المواد، إلا أنه قد يفقد خصائصه مع مرور الوقت. علاوة على ذلك، تُشوّه بعض المواد طبيعة السيليكون تمامًا فورًا بعد ملامسته.

يمكن تحسين أو تجنب معظم عيوب السيليكون أثناء عملية التصنيع. على سبيل المثال، يمكن تحسين بعض خصائصه، مثل مقاومة التمزق، باستخدام أنظمة معالجة معينة. 

كيفية اختيار إلاستومر السيليكون المناسب

مع تعدد الخيارات والعوامل التي يجب مراعاتها، قد يصبح اختيار نوع السيليكون المناسب لمنتجاتك أمرًا صعبًا. في هذه الحالة، يمكنك اتخاذ قرارك بناءً على العوامل التالية:

• صلابة: للسيليكون مقياسان للصلابة: لين وصلب. يُحدد هذان المقياسان مدى ليونة أو صلابة منتجك. لذلك، من المنطقي اختيار الصلابة المناسبة.
• المقاومة الكيميائية: ناقشنا أن السيليكون مقاومٌ انتقائيًا لبعض المواد الكيميائية. ويعود هذا العامل الحيوي إلى أن معظم البيئات تحتوي على مزيج من المواد الكيميائية الطبيعية أو الاصطناعية التي قد تؤثر على السيليكون.
• طريقة المعالجة: يُحدد مُصنِّع منتج السيليكون طريقة المعالجة بناءً على خبرته. ومع ذلك، يُمكنك التأثير على هذا القرار بطلب نظام مُحدد، طالما كان مُناسبًا. 
• المبادئ التوجيهية واللوائح: تضع العديد من الهيئات، مثل ASTM وFDA وغيرها، إجراءات تنظيمية تُنظّم استخدام السيليكون. على سبيل المثال، تُوافق FDA على أنواع مُحددة من السيليكون لتصنيع منتجات السيليكون الغذائية. يُرجى اتباع هذه الإرشادات لضمان الامتثال.

هذه القائمة من الاعتبارات ليست شاملة. على أي حال، لم نتطرق إلى الميزانيات وتوافر المواد، وهما عاملان أساسيان بنفس القدر. إجمالاً، اتخاذ القرارات بناءً على هذه العوامل يضمن نتائج إيجابية.

أنواع مختلفة من إلاستومر السيليكوني لاستخدامات مختلفة

• مسحوق إلاستومر السيليكون
• إلاستومر السيليكون في مستحضرات التجميل
• عدسات لاصقة من السيليكون المطاطي
• قسطرة السيليكون المطاطية
• مزيج من مطاط السيليكون
• مطاط السيليكون SDS
• جل السيليكون المطاطي
• صفائح إلاستومر السيليكون
• مجموعة إلاستومر السيليكون

خاتمة

قدّمت لك هذه المقالة الشاملة نظرةً متعمقةً على تعريفات وخصائص وفوائد وعيوب وظروف أداء إلاستومرات السيليكون. أصبح لديك الآن فهمٌ أفضل لهذه المادة وكل ما يتعلق بها. اتصل بنا لمزيد من المعلومات حول إلاستومرات السيليكون.

 

المزيد من الموارد:

17 تطبيقًا لمادة السيليكون المرنة في الأجهزة الإلكترونية في الصناعة الحديثة – المصدر: ليجينداي