Många människors intryck av silikon finns i köket: bakformar, spadar, kakformar, som är mjuka att greppa men mycket värmebeständiga- när de placeras i ugnen; Även när man kommer ut ur en hög temperatur på över 200 grader finns det ingen synlig "smältning".
Mjuka material som vi vanligtvis kommer i kontakt med, som plastpåsar, gummiband, skumbomull, kommer att bli klibbiga, deformeras eller till och med smälta när temperaturen är hög
Varför kan silikon "motverka intuitivt" uppnå mjukhet och hög temperaturbeständighet? Idag kommer vi att förklara denna fråga från struktur, elektroniskt beteende till tekniska tillämpningar.
01 Ta isär skelettet och ta en titt
Silikon (mer exakt, silikongummi vulkaniserat vid rumstemperatur eller hög temperatur, med en huvudkedja av polydimetylsiloxan, PDMS) har ett helt annat "skelett" från vanligt organiskt gummi - Si-O-Si oorganisk organisk hybridhuvudkedja. Denna huvudkedja bestämmer samtidigt dess "mjukhet" och "värmebeständighet".
Varför är den mjuk?
Längre bindningslängd och bredare bindningsvinkel: Si-O-bindningar är längre än C-C-bindningar, och bindningsvinkeln för Si-O-Si är också större. Kombinationen av dessa två saker lämnar ett större "utrymme för rörelse" för kedjesegmentet att rotera, vilket gör det lättare för kedjan att böjas fram och tillbaka - glasövergångstemperaturen (Tg) är därför mycket låg (PDMS Tg är ofta runt -120 grader ). I en värld där rumstemperaturen är mycket högre än Tg är det naturligtvis ett "mollusk".
Sidobas "smörjning": Den vanligaste sidobasen i silikon är - CH3. Metylgrupper är små till storleken och har svaga interaktioner med varandra. Kedjorna är inte särskilt "klibbiga" med varandra, som att applicera en osynlig smörjolja på molekylnivå. Makroskopiskt ser de mjuka ut och har en mjuk rebound.
Låg rotationsbarriär: Rotationsmotståndet runt Si-O-bindningen är liten och segmenten är flexibla som sammankopplade leder, vilket också är den mikroskopiska källan till lågt Tg.
Varför är den värmebeständig-?
Si-O-bindningen i sig är mycket kapabel att bryta: Bindningsenergin för Si-O-bindningen är betydligt högre än den för typiska C-C och C-O-bindningar, vilket kräver högre energi för att "bryta" den, så den bryts inte lätt vid höga temperaturer.
Oorganiskt skelett: Huvudkedjan av organiskt gummi är i allmänhet C-C eller C-O, som är mer känsligt för angrepp av reaktiva fria radikaler under varma syreförhållanden; Si-O-huvudkedjan är mer stabil och genomgår långsammare termiskt oxidativt åldrande.
Levereras med ett skyddande skal i händelse av brand: Silikongummi kommer att generera ett tätt oorganiskt askskikt som liknar kiseldioxid (SiO ₂) under hög temperatur/öppen låga, som att snabbt täcka sig med ett värme-beständigt skal för att blockera värme och syre från att fortsätta att invadera, så det kännetecknas vanligtvis av "dropande" och "icke-släckande".
Sammanfattning i en mening:
Mjukhet kommer från flexibiliteten hos kedjor och svaga intermolekylära interaktioner, medan värmebeständighet kommer från starka Si-O-bindningar och oorganiska pyrolysprodukter. Dessa två saker är inte motsägelsefulla.
