סינתזה וזיהוי של שמן דימתיל סיליקון עם צמיגות- נמוכה: תהליך, מאפיינים וניתוח יישום
שמן דימתיל סיליקון בעל צמיגות-נמוכה מתייחס בדרך כלל לפולידימתילסילוקסנים ליניאריים עם צמיגות קינמטית מתחת ל-100 cSt (centistokes) ב-25 מעלות, לפעמים אפילו נמוך כמו 0.65 cSt. בשל מקדם הטמפרטורה- הנמוך ביותר שלו, סיכה מעולה, נקודת הבזק גבוהה, יציבות כימית טובה והידרופוביות, הוא נמצא בשימוש נרחב בקוסמטיקה, מוצרי טיפוח אישי, טקסטיל, אלקטרוניקה, רפואי ותעשייתי כחומר סיכה, מסיר קצף, חומר לשחרור עובש, נוזל דיאלקטרי ושמן בסיס. מאמר זה יעמיק בתהליכי הסינתזה המרכזיים שלו ובשיטות בקרת איכות ובדיקות מפתח.
תהליך סינתזה של שמן דימתיל סיליקון עם צמיגות- נמוכה
המהות של סינתזה של שמן דימתיל סיליקון עם-צמיגות נמוכה טמונה בשליטה על אורך השרשרת המולקולרית polydimethylsiloxane (PDMS). ככל שהשרשרת המולקולרית קצרה יותר, כך צמיגות המוצר נמוכה יותר. מבחינה תעשייתית משתמשים בעיקר בשתי השיטות הבאות:
1. חומצה-שיטת שיווי משקל מזורז
זוהי כיום שיטת הייצור התעשייתית המיינסטרימית, החסכונית והיעילה ביותר הן מקומית והן בינלאומית.
חומרי גלם עיקריים:
Dimethyldichlorosilane ((CH₃)₂SiCl₂): חומר הגלם העיקרי.
Hexamethyldisiloxane (MM)((CH₃)₃SiOSi(CH₃)₃): חומר כיסוי קצה- המשמש לשליטה בקצוות השרשרת המולקולרית ולוויסות מדויק של המשקל המולקולרי והצמיגות של המוצר הסופי.
Trimethylchlorosilane ((CH₃)₃SiCl): יכול לשמש גם כחומר קצה-.
חומצה גופרתית מרוכזת או חימר חומצי: כזרז.
עיקרון תהליך וזרימה:
הידרוליזה: דימתיל-דיכלורוסילאן עובר תגובת הידרוליזה נמרצת עם מים, ומייצרת תערובת של סילוקסאנים ליניאריים או מחזוריים (DMC) וגז מימן כלורי.
חומצה-שיווי משקל/סידור מחדש: תוצר ההידרוליזה, חומר המכסה הסופי (MM) והזרז (כגון חומצה גופרתית מרוכזת) מוסיפים לכלי תגובה ביחס מדויק ומערבבים בטמפרטורה מסוימת (בדרך כלל 50-80 מעלות). במהלך תהליך זה, חומצה גופרתית מפרקת את קשרי Si-O-Si וגורמת להם להתחבר מחדש, ובסופו של דבר מגיעה לשיווי משקל כימי בנוכחות חומר המכסה הקצה.
בקרה מדויקת: על ידי התאמת היחס בין חומר הקצה-המכסה (MM) למוצר הידרוליזה (DMC), ניתן לשלוט במדויק על אורך שרשרת הפולימר במערכת שיווי המשקל. יחס MM גבוה יותר מביא לשרשראות פולימר קצרות יותר ולצמיגות מוצר נמוכה יותר.
ניטרול ושטיפה: לאחר התגובה, חומצה שארית במערכת מנוטרלת בעזרת נתרן ביקרבונט או מים, והמערכת נשטפת שוב ושוב במים עד לנייטרליות להסרת מלחים ושאריות זרז.
הסרת תרכובות עם נקודת -רתיחה- נמוכה: בתנאי לחץ וחימום מופחתים, תרכובות נמוכות -רתיחה- שאינן מגיבות, כגון MM, D₃ (הקסמתיל-ציקלוטריסילוקסאן) ו-D₄ (אוקטמתיל-ציקלוטטרסילוקסן) מזוקקות. ניתן למחזר את תוצרי הלוואי הללו.
סינון: לבסוף, לאחר סינון עדין, מתקבל שמן דימתיל סיליקון צלול, שקוף ואחיד בעל צמיגות- נמוכה.
2. אלקלי-טבעת מזורזת-פולימריזציה נפתחת
שיטה זו משמשת בעיקר להכנת שמני סיליקון בעלי צמיגות ספציפיות מסילוקסנים מחזוריים (כגון D₄).
עיקרון התהליך: בנוכחות זרז אלקליין (כגון אשלגן הידרוקסיד או טטרה-מתיל-אמוניום הידרוקסיד), קשרי ה-Si-O של ה-D₄ המחזורית נפתחים, ומתרחשת תגובת פילמור עם חומר מכסה (כגון MM) ליצירת PDMS ליניארי.
מאפיינים: תנאי התגובה קלים, ופיזור המשקל המולקולרי של המוצר צר יחסית. עם זאת, הטיפול לאחר-הזרז (הדורש פירוק והסרה בטמפרטורה- גבוהה) מסורבל יחסית, וחומר הגלם D₄ עצמו מתקבל בדרך כלל על ידי הידרוליזה של דימתיל-דיכלורוסילאן. לכן, במונחים של עלות כוללת, היא פחות חסכונית משיטת שיווי המשקל המזורז באמצעות חומצה.
בדיקת ביצועים מפתח של שמן דימתיל סיליקון-נמוך
כדי להבטיח שהמוצר עומד בדרישות המחמירות של תחומי יישום שונים, יש לבצע סדרה של בדיקות מדויקות לשמן דימתיל סיליקון בעל צמיגות- נמוכה.
1. צמיגות קינמטית
זהו האינדיקטור המכריע ביותר, המשקף ישירות את המשקל המולקולרי של המוצר.
תקן בדיקה: GB/T 265 / ASTM D445
שיטה: באמצעות מד ויסקומטר נימי, בטמפרטורה קבועה (בדרך כלל 25 מעלות או 40 מעלות), נמדד הזמן הנדרש לנפח מסוים של דגימה לזרום דרך נימי מכויל. ערך הצמיגות הקינמטי (יחידה: cSt) מחושב.
2. אינדקס השבירה
מקדם השבירה הוא פרמטר פיזי חשוב המאפיין את הטוהר והתכונות המבניות של חומר. עבור שמן דימתיל סיליקון, יש לערכו התאמה ברורה עם אורך ומבנה השרשרת המולקולרית.
תקן בדיקה: GB/T 614 / ASTM D1218
שיטה: נמדד באמצעות רפרקטומטר Abbe ב-25 מעלות. שמן דימתיל סיליקון בעל צמיגות-נמוכה צריך להיות בעל מקדם שבירה יציב וסטנדרטי (לדוגמה, בערך 1.390-1.410 ב-25 מעלות).
3. נקודת הבזק נקודת הבזק חיונית לאחסון, הובלה ושימוש בטוחים במוצר. למרות שלשמני סיליקון עם צמיגות- נמוכה יש צמיגות נמוכה, המבנה המולקולרי היציב שלהם מביא בדרך כלל לנקודת הבזק גבוהה בהרבה מזו של שמנים מינרליים בעלי צמיגות שווה.
תקן בדיקה: GB/T 3536 / ASTM D92
שיטה: באמצעות מכשיר נקודת הבזק-פתוח של קליבלנד, הדגימה מחוממת בתנאים מוגדרים, ונמדדת הטמפרטורה הנמוכה ביותר שבה האדים שלה מעורבבים באוויר יתלקחו במגע עם להבה פתוחה.
4. חומר נדיף מחוון זה מודד את אחוז הירידה במשקל של מוצר בתנאי חימום, ומשפיע ישירות על היציבות ועל חיי השירות שלו ביישומים בטמפרטורה- גבוהה.
תקן בדיקה: GB/T 11999 / ASTM D2595
שיטה: כמות מסוימת של דגימה מחוממת בטמפרטורה מסוימת (למשל, 150 מעלות) למשך זמן מסוים (למשל, 24 שעות), ותכולת החומר הנדיף נקבעת על ידי חישוב הפרש המסה לפני ואחרי החימום.
5. ערך חומצה
ערך החומצה משקף את התוכן של זרזים חומציים שיוריים (כגון חומצה גופרתית) במוצר. ערכי חומצה גבוהים מדי עלולים לגרום לקורוזיה או חוסר יציבות של המוצר.
תקן בדיקה: GB/T 7304 / ASTM D974
שיטה: טיטרציה פוטנציומטרית או שיטת אינדיקטור משמשת לטיטרציה של החומרים החומציים בדגימה עם תמיסת אלכוהול אלקליין סטנדרטית.
6. צבע
הצבע הוא השתקפות ישירה של המראה והטוהר של המוצר. שמן דימתיל סיליקון בעל טוהר- גבוה, צמיגות- נמוכה צריך להיות "חסר צבע ושקוף".
תקן בדיקה: GB/T 3143 / ASTM D1209
שיטה: ההשוואה נעשית באמצעות פתרון סטנדרטי של צבע פלטינה-קובלט. בדרך כלל, מספר הצבע לא יעלה על ערך מסוים (למשל, מספר 10).
מַסְקָנָה
הסינתזה של שמן דימתיל סיליקון עם-צמיגות נמוכה היא מדע של בקרת מבנה מולקולרי מדויק. שיטת שיווי המשקל המזרז חומצה שולטת בשל עלותה הנמוכה, הטכנולוגיה הבוגרת וקלות השליטה שלה. מערכת בדיקות איכות מקיפה היא אבן היסוד להבטחת ביצועים יציבים ועמידה בצרכים של יישומים במורד הזרם. על ידי שליטה קפדנית על מדדי מפתח כגון צמיגות, אינדקס שבירה ונקודת הבזק, יצרנים יכולים לספק ללקוחות ביצועים-גבוהים ואמינים, ולקדם במשותף את החדשנות והיישום שלה בתחומי-היי-טק כגון כימיקלים יומיומיים, טקסטיל ואלקטרוניקה.
