El caucho de silicona es un elastómero (material similar al caucho) compuesto de silicona (en sí misma un polímero ) que contiene silicio junto con carbono , hidrógeno y oxígeno . Los cauchos de silicona se utilizan ampliamente en la industria y existen múltiples formulaciones. Los cauchos de silicona suelen ser polímeros de una o dos partes y pueden contener cargas para mejorar las propiedades o reducir costos. El caucho de silicona generalmente no es reactivo, es estable y resistente a ambientes extremos y temperaturas de -55 a 300 °C (-70 a 570 °F) y al mismo tiempo mantiene sus propiedades útiles. Debido a estas propiedades y a su facilidad de fabricación y configuración, el caucho de silicona se puede encontrar en una amplia variedad de productos, incluidos aisladores de líneas de tensión; aplicaciones automotrices; productos para cocinar, hornear y almacenar alimentos; prendas de vestir como ropa interior, ropa deportiva y calzado; electrónica; dispositivos e implantes médicos; y en reparación y ferretería del hogar, en productos como selladores de silicona.
En su estado no curado, el caucho de silicona es un gel o líquido altamente adhesivo. Para convertirlo en sólido, debe curarse , vulcanizarse o catalizarse . Esto normalmente se lleva a cabo en un proceso de dos etapas en el punto de fabricación con la forma deseada y luego en un proceso prolongado de poscurado. También se puede moldear por inyección o imprimir en 3D .
El caucho de silicona se puede curar mediante un sistema de curado catalizado por platino , un sistema de curado por condensación, un sistema de curado con peróxido o un sistema de curado con oxima . Para el sistema de curado catalizado por platino, el proceso de curado se puede acelerar agregando calor o presión.
En un sistema de curado de silicona a base de platino, también llamado sistema de adición (porque el polímero clave que genera la reacción es una reacción de adición ), un hidruro y un polímero de siloxano con funcionalidad vinílica reaccionan en presencia de un catalizador complejo de platino , creando un puente etilo entre ambos. [1] La reacción no tiene subproductos. Estos cauchos de silicona se curan rápidamente, aunque la velocidad o incluso la capacidad de curar se inhibe fácilmente en presencia de estaño elemental , azufre y muchos compuestos de amina . [2]
Los sistemas de curado por condensación pueden ser sistemas de una o dos partes . [3] En un sistema de un solo componente o RTV (vulcanización a temperatura ambiente), un reticulante expuesto a la humedad ambiental (es decir, agua) experimenta un paso de hidrólisis y queda con un grupo hidroxilo o silanol . El silanol se condensa aún más con otro grupo hidrolizable en el polímero o reticulante y continúa hasta que el sistema esté completamente curado. Un sistema de este tipo curará por sí solo a temperatura ambiente y (a diferencia del sistema de curado por adición a base de platino) no se inhibe fácilmente por el contacto con otros productos químicos, aunque el proceso puede verse afectado por el contacto con algunos plásticos o metales y es posible que no se lleve a cabo. en absoluto si se pone en contacto con compuestos de silicona ya curados. Los reticulantes usados en sistemas de curado por condensación son típicamente alcoxi, acetoxi, éster, enoxi u oximasilanos tales como metil trimetoxi silano para sistemas de curado alcoxi y metil triacetoxisilano para sistemas de curado acetoxi. En muchos casos, se agrega un catalizador de condensación adicional para curar completamente el sistema RTV y lograr una superficie libre de pegajosidad. En sistemas curados con alcoxi se utilizan catalizadores de organotitanato tales como titanatos de tetraalcoxi o titanatos quelados. Los catalizadores de estaño como el dilaurato de dibutilestaño (DBTDL) se pueden utilizar en sistemas curados con oxima y acetoxi. La condensación de acetoxi estaño es una de las sustancias químicas de curado más antiguas utilizadas para curar el caucho de silicona y es la que se utiliza en la masilla para baños domésticos . Dependiendo del tipo de molécula desprendida, es posible clasificar los sistemas de silicona en ácidos, neutros o alcalinos. [4]
Los sistemas de condensación de dos partes empaquetan el reticulante y el catalizador de condensación juntos en una parte, mientras que el polímero y las cargas o pigmentos están en la segunda parte. La mezcla de las dos partes provoca el curado. Un relleno típico es la sílice pirógena, también conocida como sílice pirogénica, que se utiliza para controlar las propiedades de flujo del sellador. [5]
Una vez curados por completo, los sistemas de condensación son eficaces como selladores y masillas en plomería y construcción de edificios y como moldes para fundir resinas de poliuretano, epoxi y poliéster, ceras, yeso y metales de baja temperatura de fusión como el plomo. Suelen ser muy flexibles y tienen una alta resistencia al desgarro. No requieren el uso de ningún agente desmoldante ya que las siliconas tienen propiedades antiadherentes.
El curado con peróxido se usa ampliamente para curar caucho de silicona. El proceso de curado deja subproductos, que pueden ser un problema en el contacto con alimentos y en aplicaciones médicas. Sin embargo, estos productos normalmente se tratan en un horno de poscurado, lo que reduce en gran medida el contenido del producto de descomposición del peróxido. Uno de los dos principales peróxidos orgánicos utilizados, el peróxido de dicumilo (compárese con hidroperóxido de cumeno ), tiene principales productos de degradación de acetofenona y fenil-2-propanol. El otro es el peróxido de diclorobenzoilo, cuyos principales productos de degradación son el ácido diclorobenzoico y el diclorobenceno . [6]
Los primeros elastómeros de silicona se desarrollaron en la búsqueda de mejores materiales aislantes para motores y generadores eléctricos. Las fibras de vidrio impregnadas de resina eran los materiales más modernos en aquella época. El vidrio era muy resistente al calor, pero las resinas fenólicas no soportarían las temperaturas más altas que se encontraban en los nuevos motores eléctricos más pequeños. Los químicos de Corning Glass y General Electric estaban investigando materiales resistentes al calor para su uso como aglutinantes resinosos cuando sintetizaron los primeros polímeros de silicona, demostraron que funcionaban bien y encontraron una ruta para producirlos comercialmente.
El término "silicona" es realmente inapropiado. Los químicos utilizan el sufijo -uno para indicar una sustancia con un átomo de oxígeno con doble enlace en su columna vertebral . Cuando se descubrió por primera vez, se creía erróneamente que la silicona tenía átomos de oxígeno unidos de esta manera. El término técnicamente correcto para los diversos cauchos de silicona es polisiloxanos ( los polidimetilsiloxanos son un subconjunto grande), en referencia a una cadena principal de Si-O saturada. [2]
Corning Glass, en una empresa conjunta con Dow Chemical, formó Dow Corning en 1943 para producir esta nueva clase de materiales. A medida que se estudiaron con más detalle las propiedades únicas de los nuevos productos de silicona, se imaginó su potencial para un uso más amplio y GE abrió su propia planta para producir siliconas en 1947. GE Silicones se vendió a Momentive Performance Materials en 2006. Wacker Chemie también comenzó producción de siliconas en Europa en 1947. La empresa japonesa Shin-Etsu Chemical inició la producción en masa de silicona en 1953. [7]
El caucho de silicona ofrece buena resistencia a temperaturas extremas, pudiendo funcionar normalmente de -100 a 300 °C (-150 a 570 °F). El caucho de silicona tiene baja resistencia a la tracción y propiedades de desgaste deficientes. [8] Algunas propiedades como el alargamiento , la fluencia , la flexión cíclica, la resistencia al desgarro , la deformación por compresión , la rigidez dieléctrica (a alto voltaje), la conductividad térmica , la resistencia al fuego y, en algunos casos, la resistencia a la tracción pueden ser, a temperaturas extremas, muy superiores a las orgánicas. cauchos en general, aunque algunas de estas propiedades siguen siendo inferiores a las de algunos materiales especiales. El caucho de silicona es un material de elección en la industria cuando se desea mantener la forma inicial y la resistencia mecánica bajo estrés térmico intenso o temperaturas bajo cero. [9] [10] [11]
El caucho orgánico tiene una estructura de carbono a carbono que puede hacerlo susceptible al ozono , los rayos UV , el calor y otros factores de envejecimiento que el caucho de silicona puede soportar bien. Esto hace que el caucho de silicona sea uno de los elastómeros elegidos en muchos entornos extremos. La silicona es considerablemente más permeable a los gases que la mayoría de los demás cauchos, lo que limita su uso en algunas áreas.
El caucho de silicona es altamente inerte y no reacciona con la mayoría de los productos químicos y no está disponible para participar en procesos biológicos, lo que permite su uso en muchas aplicaciones médicas, incluidos los implantes médicos . Es biocompatible , hipoalergénico , lo que lo hace apto para productos de cuidado del bebé, y en contacto con alimentos en general. El caucho de silicona es una solución confiable (a diferencia del caucho y los elastómeros termoplásticos ) para los problemas de migración o interacción entre los principales ingredientes activos. Su estabilidad química evita que afecte cualquier sustrato con el que esté en contacto (piel, agua, sangre, principios activos, etc.). [12]
Para fabricar silicona, los átomos de silicio deben aislarse del compuesto de dióxido de silicio, sílice . Esto se consigue calentando grandes volúmenes de arena de cuarzo a temperaturas extremadamente altas, a menudo hasta 1800 °C. A partir de aquí, existen varios procesos en los que el silicio se combina con cloruro de metilo y se calienta. Luego se destila en un siloxano polimerizado conocido como polidimetilsiloxano . A continuación se puede polimerizar el polidimetilsiloxano . Esto se hace utilizando una variedad de técnicas dependiendo del uso del producto final. [13] El compuesto de silicona en bruto se combina con cualquier aditivo deseado, que puede incluir pigmentos, y el catalizador. Luego se moldea por inyección , se extruye o se imprime en 3D . El curado es la etapa final del proceso de producción.
Los polisiloxanos se diferencian de otros polímeros en que sus cadenas principales consisten en unidades Si-O-Si, a diferencia de muchos otros polímeros que contienen cadenas principales de carbono. El polisiloxano es muy flexible debido a los grandes ángulos y longitudes de unión en comparación con los que se encuentran en polímeros más básicos como el polietileno . Por ejemplo, una unidad principal C – C tiene una longitud de enlace de 1,54 Å y un ángulo de enlace de 112 °, mientras que la unidad principal de siloxano Si – O tiene una longitud de enlace de 1,63 Å y un ángulo de enlace de 130 °.
La cadena principal de siloxano es un polímero más flexible que la cadena principal de carbono básica porque los grupos laterales están más espaciados. Los segmentos de polímero pueden moverse más lejos y cambiar de conformación fácilmente, lo que lo convierte en un material flexible. Los polisiloxanos tienden a ser más estables y menos activos químicamente porque se requiere más energía para romper el enlace silicio-oxígeno . Aunque el silicio es un congénere del carbono y tiene la misma configuración de enlace electrónico, los análogos de silicio de los compuestos carbonosos generalmente exhiben propiedades diferentes. La diferencia en la carga total y la masa entre el carbono con 6 protones y 6 neutrones y el silicio con 14 protones y 14 neutrones provoca una capa adicional de electrones y su efecto de pantalla cambia la electronegatividad entre los dos elementos. Por ejemplo, el enlace silicio-oxígeno en los polisiloxanos es significativamente más estable que el enlace carbono-oxígeno en el polioximetileno , un polímero estructuralmente similar. La diferencia se debe en parte a la mayor energía del enlace , la energía necesaria para romper el enlace Si-O, y también a que el polioximetileno descompone el formaldehído, que es volátil y evita impulsar la descomposición, pero los productos de descomposición de la silicona que contienen Si son menos volátiles. [14]
Hay muchos grados y formas especiales de caucho de silicona, que incluyen: resistente al vapor , detectable por metales, alta resistencia al desgarro, temperatura extremadamente alta, temperatura extremadamente baja, conductor eléctrico , resistente a químicos/aceite/ácido/gas, baja emisión de humo y resistente a llamas. retardante. Se pueden utilizar diversos rellenos en el caucho de silicona, aunque la mayoría no son de refuerzo y reducen la resistencia a la tracción .
El caucho de silicona está disponible en una variedad de niveles de dureza, expresados como Shore A o IRHD entre 10 y 100, siendo el número más alto el compuesto más duro. También está disponible prácticamente en cualquier color y se puede combinar con el color.
El caucho de silicona se utiliza en aplicaciones automotrices, muchos productos para cocinar, hornear y almacenar alimentos, prendas de vestir que incluyen ropa interior, ropa deportiva y calzado, electrónica, reparación del hogar y ferretería, y una serie de aplicaciones invisibles. Por lo general, se procesa y se le da forma con los siguientes métodos.
Una vez mezclado y coloreado, el caucho de silicona se puede extruir en tubos, tiras, cordones sólidos o perfiles personalizados según las especificaciones de tamaño del fabricante. Se pueden unir cordones para hacer juntas tóricas y perfiles extruidos para hacer sellos.
El caucho de silicona se puede moldear en formas y diseños personalizados. Los fabricantes trabajan para establecer las tolerancias de la industria al extruir, cortar o unir perfiles de caucho de silicona. En el Reino Unido es BS 3734; para extrusiones, el nivel más estricto es E1 y el más ancho es E3.
El caucho de silicona se puede imprimir en 3D (modelado de deposición líquida LDM) utilizando sistemas de extrusión con boquilla de bomba. Desafortunadamente, las formulaciones de silicona estándar están optimizadas para su uso en máquinas de moldeo por inyección y extrusión y no son aplicables en la impresión 3D basada en LDM. Es necesario ajustar el comportamiento reológico y la vida útil. [15]
La impresión 3D también requiere el uso de un material de soporte extraíble que sea compatible con el caucho de silicona.
El caucho de silicona líquida también se fabrica para aplicaciones de ciencias biológicas (pistones de jeringas, cierres para sistemas dispensadores, juntas para reguladores de flujo intravenoso, mascarillas respiratorias, cámaras implantables para administración intravenosa), productos cosméticos (cepillo para rímel, envases de maquillaje, aplicadores de maquillaje). y moldes para barras de labios) y productos de óptica (lentes circulares, colimadores , lentes de Fresnel y lentes de forma libre). [dieciséis]
Los paneles solares de calentamiento de agua tolerantes a la congelación aprovechan la elasticidad de la silicona para adaptarse repetidamente a la expansión del agua al congelarse, mientras que su tolerancia a temperaturas extremas mantiene una falta de fragilidad por debajo del punto de congelación y una excelente tolerancia a temperaturas superiores a 150 °C (300 °F). ). Su propiedad de no tener una columna vertebral de carbono, sino una columna vertebral de silicio químicamente robusta, reduce su potencial como fuente de alimento para bacterias peligrosas transmitidas por el agua como la Legionella .
La cinta de caucho de silicona sin teñir con un aditivo de óxido de hierro (III) (que hace que la cinta tenga un color rojo anaranjado) se usa ampliamente en aplicaciones de cableado aeronáutico y aeroespacial como cinta de empalme o envoltura debido a su naturaleza no inflamable. El aditivo de óxido de hierro añade una alta conductividad térmica pero no cambia la propiedad de alto aislamiento eléctrico del caucho de silicona. Este tipo de cinta autoamalgamante se amalgama o fusiona consigo misma, de modo que cuando se estira y se enrolla alrededor de cables, uniones eléctricas, mangueras y tuberías, se une formando una fuerte capa de goma sin costuras, aislante eléctricamente e impermeable, aunque no es adhesiva. Como aislante eléctrico, el caucho de silicona tiene la virtud adicional de permanecer no conductor cuando se daña por el calor, lo que reduce la probabilidad de que se produzcan arcos eléctricos descontrolados.
Con la adición de carbono u otra sustancia conductora como relleno en polvo, el caucho de silicona puede hacerse eléctricamente conductor conservando la mayoría de sus otras propiedades mecánicas. Como tal, se utiliza para contactos flexibles que se cierran al presionarlos y se utiliza en muchos dispositivos, como teclados de computadora y controles remotos .
En 2007, el caucho de silicona formó la matriz del primer elastómero autocurativo autónomo . [17] El material a base de microcápsulas fue capaz de recuperar casi toda la resistencia al desgarro original. Además, este material tenía propiedades de fatiga mejoradas según lo evaluado mediante una prueba de fatiga por torsión. [18]