Впечатлението на много хора от силикона е в кухнята: тави за печене, лопати, форми за торта, които са меки за хващане, но много -устойчиви на топлина, когато се поставят във фурната; Дори при излизане от висока температура над 200 градуса няма видимо "топене".
Меките материали, с които обикновено контактуваме, като найлонови торбички, гумени ленти, дунапрен памук, ще станат лепкави, деформирани или дори разтопени, когато температурата е висока
Защо силиконът може да "контри интуитивно" постигне мекота и устойчивост на висока температура? Днес ще обясним този въпрос от структурата, електронното поведение до инженерните приложения.
01 Разглобете скелета и погледнете
Силиконът (по-точно, силиконов каучук, вулканизиран при стайна температура или висока температура, с основна верига от полидиметилсилоксан, PDMS) има напълно различен „скелет“ от обикновената органична гума - Si-O-Si неорганична органична хибридна основна верига. Тази основна верига едновременно определя нейната "мекота" и "топлоустойчивост".
Защо е мека?
По-голяма дължина на връзката и по-широк свързващ ъгъл: Si-O връзките са по-дълги от C-C връзките и свързващият ъгъл на Si-O-Si също е по-голям. Комбинацията от тези две неща оставя по-голямо „пространство за движение“ за въртене на сегмента на веригата, което улеснява огъването на веригата напред и назад - следователно температурата на встъкляване (Tg) е много ниска (PDMS Tg често е около -120 градуса). В свят, където стайната температура е много по-висока от Tg, той естествено е "мекотело".
„Смазване“ на страничната основа: Най-често срещаната силиконова странична основа е - CH3. Метиловите групи са малки по размер и имат слаби взаимодействия помежду си. Веригите не са много "лепкави" една за друга, като нанасяне на невидимо смазочно масло на молекулярно ниво. Макроскопски те изглеждат меки и имат лек отскок.
Ниска ротационна бариера: Ротационното съпротивление около Si{0}}O връзката е малко и сегментите са гъвкави като взаимосвързани стави, което също е микроскопичният източник на ниска Tg.
Защо е топлоустойчив-?
Самата връзка Si-O е много способна да се разкъса: Енергията на връзката на връзката Si-O е значително по-висока от тази на типичните C-C и C-O връзки, изискваща по-висока енергия за нейното „разкъсване“, така че не се разрушава лесно при високи температури.
Неорганичен скелет: Основната верига на органичния каучук обикновено е C-C или C-O, който е по-податлив на атака от реактивни свободни радикали при условия на горещ кислород; Основната верига Si-O е по-стабилна и претърпява по-бавно термично окислително стареене.
Предлага се със защитна обвивка в случай на пожар: Силиконовата гума ще генерира плътен слой неорганична пепел, подобен на силициев диоксид (SiO ₂) при висока температура/открит пламък, като бързо се покрива с топло{0}}устойчива обвивка, за да блокира топлината и кислорода от продължаващото нахлуване, така че обикновено се характеризира като „самозагасващ се“ и „не капещ“.
Резюме в едно изречение:
Мекотата идва от гъвкавостта на веригите и слабите междумолекулни взаимодействия, докато устойчивостта на топлина идва от силните Si-O връзки и неорганичните пиролизни продукти. Тези две неща не си противоречат.
