السيليكونات - الصيغة والهيكل والخصائص والتطبيقات

مقدمة

السيليكونات هي فئة فريدة من المواد الاصطناعية التي تجمع بين خصائص كل من المركبات العضوية وغير العضوية ، وتجعلها تنوعها واستقرارها لا غنى عنها في مختلف الصناعات ، وتستكشف هذه المدونة صيغة السيليكونات وهيكلها وخصائصها وتطبيقاتها الواسعة النطاق.

صيغة السيليكونات

يتم تمثيل السيليكونات بشكل عام بواسطة الصيغة (R2SiO)n ، حيث تمثل 'R' المجموعات العضوية مثل الميثيل أو الإيثيل أو الفينيل ، حيث يعطي العمود الفقري من السيليكون والأكسجين السيليكونات خصائصها الفريدة ، في حين تحدد المجموعات العضوية خصائصها المحددة.

بنية السيليكونات

يتكون الهيكل الأساسي للسيليكونات من وحدة متكررة من السيلوكسان (R2SiO2SiR2) ، وهي العمود الفقري من السيليكون والأكسجين ، وهي مرنة ويمكن أن تشكل هياكل خطية أو دورية أو متقاطعة ، وتختلف المجموعات العضوية المرتبطة بذرات السيليكون ، مما يؤدي إلى أنواع مختلفة من السيليكونات.

• السيليكونات الخطيةهذه لها بنية سلسلة مستقيمة، وتستخدم عادة في الزيوت والسوائل الهيدروليكية.
• السيليكونات الدوريةتشكل هذه الهياكل حلقية ، وغالبًا ما توجد في منتجات العناية الشخصية مثل الشامبو والمكيفات.
• السيليكونات المتقاطعةهذه تحتوي على بنية شبكة ثلاثية الأبعاد ، مثالية للتطبيقات ذات القوة العالية مثل مواد الختم والملصقات.

الخصائصمن السيليكونات

تشتهر السيليكونات بخصائصها الاستثنائية ، والتي تجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات:

• الاستقرار الحرارييمكن للسليكونات أن تتحمل درجات حرارة شديدة تتراوح من -60 درجة مئوية إلى +300 درجة مئوية دون أن تتدهور ، وهذه الخاصية حاسمة للتطبيقات في صناعات السيارات والفضاء.
• الرهاب المائيالسيليكون يرفض الماء، مما يجعلها مثالية لتطبيقات العزل المائي في البناء والإلكترونيات.
• المرونةلا تزال السيليكونات مرنة على نطاق واسع من درجات الحرارة ، وهو أمر ضروري للتطبيقات التي تتطلب مواد متينة ولكن مرنة ، مثل الأنابيب الطبية.
• العزل الكهربائيالسيليكونات هي عازلات ممتازة ، مما يجعلها ضرورية في تصنيع الكابلات والوصلات والمكونات الكهربائية الأخرى.
• المقاومة الكيميائيةيقاوم السيليكون العديد من المواد الكيميائية ، بما في ذلك الأحماض والقواعد ، وهو أمر حيوي للتطبيقات في البيئات الكيميائية القاسية.

ما هيتطبيقات السيليكونات- ماذا؟

خصائص السيليكون الفريدة تجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات في مختلف الصناعات:

طبية:تستخدم السيليكونات على نطاق واسع في المجال الطبي بسبب توافقها الحيوي ومرونتها واستقرارها.

• عدسات لاصقة هيدروجيل من السيليكونتسمح لمزيد من الأكسجين بالمرور إلى القرنية ، مما يزيد من راحة مرتديها ، وفقًا لدراسة نشرت في مجلةمجلة أبحاث وعلم العدسات اللاصقةتوفر عدسات الهيدروجيل السيليكونية حتى 5 أضعاف نفاذية الأكسجين أكثر من عدسات الهيدروجيل التقليدية.
• زراعة السيليكونيتم استخدامه في زرع الثدي ، زرع القوقعة ، والمفاصل الاصطناعية ، كما أن زرع الثدي من السيليكون ، على سبيل المثال ، لديه معدل تمزق أقل بالمقارنة مع زرع المياه المالحة.الجمعية الأمريكية للجراحين التجميليينتشير النتائج إلى أن 84٪ من المرضى يفضلون زرع السيليكون.
• أنابيب طبيةيستخدم السيليكون في القسطرات وأنظمة توصيل الأدوية بسبب مرونته وتوافقها الحيوي ، ويتم تفضيل قسطرات السيليكون في العديد من الإجراءات الطبية لأنها أقل عرضة لتسبب ردود فعل تحسسية مقارنة بقسطرات اللاتكس.

السيارات:يتم استخدام السيليكونات في صناعة السيارات بسبب دوامها ومقاومتها للظروف القصوى وتنوعها.

• الغطاءات والختماتتوفر الأختام الطويلة الأمد التي يمكن أن تتحمل درجات الحرارة والضغوط القصوى ، وتستخدم أغطية السيليكون في مكونات المحرك لضمان الختم الضيق ومنع التسريبات.
• مواد التشحيمتستخدم مواد التشحيم القائمة على السيليكون في العديد من مكونات السيارات بسبب استقرارها وأدائها ، وتستخدم عادة في أنظمة المكابح وفي تزيين أقفال الأبواب والمفصلات.
• أحذية شمعة إشعاليتم استخدام المطاط السيليكوني لقوته الديالكترونية العالية ومقاومته للحرارة ، مما يضمن أداء موثوق به في نظام الإشعال.

الإلكترونيات:في الإلكترونيات ، تعتبر السيليكونات ضرورية في المواد العازلة والملصقات والطلاءات بسبب خصائص العزل الكهربائي.

• المواد العازلةيستخدم في الكابلات والمربطات والمكونات الأخرى لتوفير العزل الكهربائي ، ويضمن عزل السيليكون أن الكابلات والأسلاك يمكن أن تعمل بأمان في بيئات درجات الحرارة العالية.
• الطلاءات المتطابقةتحمي طلاءات السيليكون لوحات الدوائر من الرطوبة والغبار والعوامل البيئية الأخرى ، وتضمن هذه الطلاءات طول العمر والموثوقية للأجهزة الإلكترونية.
• المواد المغلفةتحمي غلاف السيليكون المكونات الإلكترونية من الإجهاد الميكانيكي والأضرار البيئية.الإلكترونيات الأسبوعيةأظهرت الدراسات أن غلاف السيليكون يمكن أن يطول عمر الأجهزة الإلكترونية بنسبة تصل إلى 30٪.

البناء:تستخدم السيليكونات في البناء بسبب مقاومة الطقس والمتانة والمرونة.

• مادة الختميتم استخدامه في التطبيقات الزجاجية والمقاومة للطقس لتوفير ختمات مرنة ودائمة ، ويتم استخدام مادة الختم السيليكونية بشكل شائع لإغلاق المفاصل في المباني والجسور ، مما يضمن حماية طويلة الأمد ضد تسلل المياه.
• اللاصقاتلاصقات السيليكون تربط مواد مختلفة ، بما في ذلك الزجاج والمعادن والبلاستيك ، وهذه اللاصقات حاسمة في تجميع واجهات المباني وتثبيتات النوافذ.
• الطلاءاتالطلاءات القائمة على السيليكون تحمي الأسطح من التجوية والتآكل والإشعاع فوق البنفسجي ، وتستخدم هذه الطلاءات على المباني الخارجية لتعزيز المتانة والمظهر.

المنتجات الاستهلاكيةتوجد السيليكونات في مجموعة متنوعة من المنتجات الاستهلاكية لطبيعتها غير السامة والمرنة.

• العناية الشخصيةتم العثور عليها في الشامبو والمكيفات ومنتجات العناية بالبشرة بسبب خصائصها المكيفة ، وتخلق السيليكونات مثل dimethicone إحساسًا ناعمًا وحريريًا على الجلد والشعر.
• أدوات المطبخالقوالب السيليكونية ، وساحات الخبز ، والأواني تحظى بشعبية بسبب خصائصها غير اللاصقة ومقاومة الحرارة.أدوات الخبز السيليكونية آمنة في الميكروويف وغسالة الصحون ، مما يجعلها خيارًا مريحًا للطهاة المنزليين.
• المنسوجاتتحسن ناعمات السيليكون نعومة الأنسجة ومشاعرها. لمزيد من المعلومات حول ناعمات السيليكون، راجعمواد تخفيف السيليكونيتم أيضًا استخدام طلاءات السيليكون على الأقمشة لجعلها مقاومة للماء ودائمة.

الفضاء الجوي:تلعب السيليكونات دورًا حاسمًا في صناعة الطيران بسبب استقرارها وموثوقيتها في درجات الحرارة العالية.

• أنظمة الحماية الحراريةيستخدم في المركبات الفضائية للحماية من درجات الحرارة القصوى أثناء إعادة الدخول ، ويساعد السيليكون على عزل وحماية المكونات الحرجة من الحرارة الشديدة.
• الأختام والغطاءاتتوفير أختام موثوقة في محركات الطائرات والمكونات الحرجة الأخرى ، لضمان السلامة والأداء على ارتفاعات عالية.

الطاقة:تساهم السيليكونات في قطاع الطاقة من خلال تعزيز كفاءة ومتانة المكونات المختلفة.

• الألواح الشمسيةيتم استخدام مواد السيليكون في تغليف الخلايا الضوئية للحماية من الضرر البيئي ، وتضمن مادة الختم السيليكونية أن تبقى الألواح الشمسية مقاومة للماء ودائمة.
• توربينات الرياحتحمي مواد الختم والطلاءات السيليكونية شفرات التوربينات من التجوية والتآكل ، مما يعزز طول عمرها وأدائها.

الأطعمة والمشروبات:السيليكونات آمنة للاستخدام في تطبيقات الأغذية والمشروبات بسبب جفافها والامتثال لمعايير السلامة.

• أدوات الخبزتحظى أدوات الخبز من السيليكون بشعبية بسبب خصائصها غير اللاصقة ومقاومة الحرارة ، وتستخدم قوالب السيليكون وساحات الخبز في كل من المطابخ المهنية والمنزلية لسهولتها في الاستخدام والتنظيف.
• الأختام والغطاءاتيتم استخدامه في معدات معالجة الأغذية لعدم نشاطها والامتثال لمعايير سلامة الأغذية ، وتضمن الأختام السيليكونية أن تعمل معدات معالجة الأغذية بشكل نظيف وفعال.

الصناعي:تستخدم السيليكونات في التطبيقات الصناعية بسبب استقرارها في درجات الحرارة العالية وانخفاض الاحتكاك والمتانة.

• زيوت التشحيم والشحوميتم استخدام مواد التشحيم القائمة على السيليكون في الآلات بسبب استقرارها في درجات الحرارة العالية وانخفاض الاحتكاك ، وتقلل هذه المواد التشحيمية من التآكل والدموع على الأجزاء المتحركة ، مما يزيد من عمر المعدات الصناعية.
• عوامل إطلاق العفنيتم استخدام السيليكونات لمنع الالتصاق في عمليات الصب ، مما يضمن الإفراج السلس عن الأجزاء المصنوعة وتقليل العيوب.

المنسوجاتالسيليكونات تعزز أداء ومشاعر المنتجات النسيجية.

• الطلاءاتيتم تطبيق طلاءات السيليكون على الأقمشة لجعلها مقاومة للماء ودائمة ، وتستخدم هذه الطلاءات في معدات الهواء الطلق والملابس الوقائية لتعزيز الأداء في الظروف القاسية.
• عوامل التخفيفتستخدم السيليكونات لتخفيف الأنسجة وتحسين الشعور بها ، مما يجعل الملابس أكثر راحة للارتداء.

الورق والفيلم:السيليكونات تحسن أداء منتجات الورق والأفلام.

• طلاءات الإفراجيتم تطبيق طلاءات إطلاق السيليكون على الورق والأفلام لمنع الالتصاق وتحسين التعامل معها ، وتستخدم هذه الطلاءات في الملصقات والأشرطة ومواد التعبئة والتغليف لضمان معالجة وتطبيق سلسين.

الاختلافات الرئيسية بين السيليكون والبوليمرات الأخرى

تتميز البوليمرات السيليكونية من البوليمرات الأخرى في المقام الأول بسبب بنيتها الكيميائية الفريدة ، في حين أن معظم البوليمرات الشائعة ، مثل البولي إيثيلين أو البولي ستيرين ، لها العمود الفقري القائم على الكربون ، فإن السيليكونات تعتمد على العمود الفقري السيليكون-أكسجين (SiO-Si) مع مجموعات عضوية مثل الميثيل أو الفينيل الملتصقة بذرات السيليكون ، وهذا الهيكل المميز يمنح السيليكونات استقرارًا حراريًا متفوقًا ، مما يسمح لها بالحفاظ على خصائصها على نطاق واسع من درجات الحرارة من -60 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية.

الاختلاف الرئيسي الآخر هو المقاومة الكيميائية: السيليكونات مقاومة بشكل ملحوظ للماء والأكسجين والأوزون والعديد من المواد الكيميائية ، مما يجعلها مناسبة لمختلف البيئات القاسية ، حيث تظهر البوليمرات الأخرى مجموعة واسعة من المقاومة الكيميائية ، حيث يكون بعضها عرضة للتحلل عند التعرض لبعض المواد ، والتوافق البيولوجي هو مجال آخر تفوق فيه السيليكونات ، وغالبًا ما تستخدم في الأجهزة الطبية والزرع بسبب عدم تفاعلها مع الأنسجة البيولوجية.

تركيب السيليكونات في العمليات الصناعية

يبدأ التوليف الصناعي للسيليكونات عادةً بالتحلل المائي وتكثيف الكلوروسيلانات ، مثل dimethyldichlorosilane.عند هذه العملية ، يتم تحلل الكلوروسيلانات لتشكيل silanols ، والتي بعد ذلك تتكثف لإنتاج بوليمرات siloxane.ثم يتم تنفيذ البوليمرة باستخدام المحفزات ، غالبًا ما تكون على أساس البلاتين ، للسيطرة على التفاعل وتحقيق هيكل البوليمر المطلوب.يمكن تعديل نسبة المونومرات وظروف التفاعل لإنتاج منتجات السيليكون المختلفة ، بما في ذلك الزيوت والمطاط والراتنج.

بالنسبة للمطاط السيليكونية ، فإن الارتباط المتقاطع هو خطوة أساسية ، وهذا ينطوي على استخدام عوامل التثبيت أو التعافي ، مثل البيروكسيدات أو المحفزات البلاتينية ، لربط سلاسل البوليمر ، وتعزيز خصائصها الميكانيكية.القدرة على ضبط هذه العمليات تسمح للمصنعين بإنشاء السيليكونات ذات الخصائص المحددة المخصصة لتطبيقات مختلفة ، من الختم المرن إلى الطلاءات الدائمة.

الخصائص الفريدة للسليكونات

تمتلك السيليكونات مجموعة من الخصائص الفريدة التي تجعلها متعددة الاستخدامات عبر العديد من التطبيقات ، واحدة من خصائصها المتميزة هي قدرتها على البقاء مستقرة وعملية على نطاق واسع من درجات الحرارة ، من -60 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية ، وهذا الاستقرار الحراري ، جنبا إلى جنب مع مرونتها والمرونة المتأصلة ، يضمن أن السيليكونات تحافظ على أدائها تحت ظروف مختلفة.

كما أن خصائص العزل الكهربائي الخاصة بها ملحوظة ، حيث توفر السيليكونات أداءً إلكترونيًا ممتازًا ، مما يجعلها مثالية للعزل الكهربائي. وعلاوة على ذلك ، فإن السيليكونات مقاومة للغاية للأشعة فوق البنفسجية والأوزون ، مما يساهم في دوامها في التطبيقات في الهواء الطلق.

دور السيليكونات في صناعة الطيران

في صناعة الطيران ، تلعب السيليكونات دورًا حاسمًا بسبب خصائصها الاستثنائية ، وهي تستخدم في أنظمة الحماية الحرارية للسفن الفضائية ، وتستفيد من استقرارها الحراري العالي لتوفير العزل ضد درجات الحرارة القصوى ، كما تقدم السيليكونات حلولًا موثوقة للختم والربط لمكونات الطائرات والسفن الفضائية ، وتحافظ على سلامتها في ظل الظروف الصارمة للارتفاع العالي والسفر الفضائي.

تحمي الطلاءات السيليكونية الأسطح من الضرر البيئي ، بما في ذلك الإشعاع فوق البنفسجي والرطوبة والمواد الكيميائية ، وهو أمر حيوي لطول عمر معدات الطيران ، بالإضافة إلى ذلك ، فإن مرونة السيليكونات تضمن أن الختمات والغطاءات تحافظ على أدائها في البيئات الديناميكية ، واستيعاب الحركات والحفاظ على الختمات المغلقة.

مساهمة السيليكونات في كفاءة الألواح الشمسية

تساهم السيليكونات بشكل كبير في كفاءة ومتانة الألواح الشمسية ، وتستخدم لتغليف الخلايا الشمسية ، وحمايةها من الرطوبة والغبار والأضرار الميكانيكية ، وبالتالي تعزيز عمر الألواح ، ويضمن الوضوح البصري للسيليكونات أقصى قدر من نقل الضوء إلى الخلايا الشمسية ، وهو أمر حاسم لتحسين تحويل الطاقة.

في بناء الألواح الشمسية ، تعمل السيليكونات كملصقات ومغلقات ، لتأمين المكونات وتوفير ختمات دائمة تتحمل التعرض للبيئة ، وتتيح لها مرونتها استيعاب التوسع الحراري وانكماش مكونات الألواح الشمسية ، ومنع الإجهاد والأضرار المحتملة.هذه الخصائص تجعل السيليكونات لا غنى عنها في ضمان الأداء على المدى الطويل وموثوقية الألواح الشمسية.

الاستنتاج

تعتبر السيليكونات جزءًا حيويًا من التكنولوجيا الحديثة والحياة اليومية ، وجمع خصائصها الفريدة يجعلها لا يمكن استبدالها في العديد من التطبيقات ، من الأجهزة الطبية إلى مكونات السيارات والإلكترونيات ، ويساعد فهم صيغة السيليكونات وهيكلها وخصائصها وتطبيقاتها على تقدير أهميتها في مختلف المجالات.

من خلال الاستفادة من تنوع السيليكونات ، يمكن للصناعات تطوير حلول مبتكرة تعزز الأداء والمتانة والسلامة ، سواء في الأجهزة الطبية المتطورة أو المنتجات الاستهلاكية اليومية ، تستمر السيليكونات في إحداث ثورة في طريقة حياتنا وعملنا.

لمزيد من المعلومات حول كيفية استخدام السيليكونات في المنزل والمنتجات الحية، تحقق منمواد تخفيف السيليكون- ماذا؟