يتركز انطباع العديد من الأشخاص عن السيليكون في المطبخ: أواني الخبز، والمجارف، وقوالب الكعك، والتي تتميز بأنها ناعمة عند الإمساك بها ولكنها شديدة المقاومة للحرارة- عند وضعها في الفرن؛ حتى عند الخروج من درجة حرارة عالية تزيد عن 200 درجة، لا يوجد "ذوبان" مرئي.
المواد الناعمة التي نلامسها عادةً، مثل الأكياس البلاستيكية والأربطة المطاطية والقطن الرغوي، ستصبح لزجة أو مشوهة أو حتى ذائبة عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة
لماذا يمكن للسيليكون "مقاومة الحدس" تحقيق النعومة والمقاومة لدرجات الحرارة العالية؟ واليوم سنشرح هذا الأمر بدءًا من البنية والسلوك الإلكتروني وحتى التطبيقات الهندسية.
01 قم بتفكيك الهيكل العظمي وإلقاء نظرة
السيليكون (بتعبير أدق، مطاط السيليكون المفلكن في درجة حرارة الغرفة أو درجة حرارة عالية، مع سلسلة رئيسية من بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان، PDMS) له "هيكل عظمي" مختلف تمامًا عن المطاط العضوي الشائع - Si-O-Si السلسلة الرئيسية الهجينة العضوية غير العضوية. تحدد هذه السلسلة الرئيسية في نفس الوقت "نعومتها" و"مقاومتها للحرارة".
لماذا هو ناعم؟
طول الرابطة الأطول وزاوية الرابطة الأوسع: روابط Si-O أطول من روابط C-C، وزاوية الرابطة Si-O-Si أكبر أيضًا. مزيج هذين الأمرين يترك "مساحة للحركة" أكبر لتدوير جزء السلسلة، مما يسهل على السلسلة الانحناء ذهابًا وإيابًا - ولذلك تكون درجة حرارة التزجج (Tg) منخفضة جدًا (PDMS Tg غالبًا حوالي -120 درجة). في عالم تكون فيه درجة حرارة الغرفة أعلى بكثير من Tg، فمن الطبيعي أن يكون "رخويًا".
القاعدة الجانبية "التشحيم": قاعدة السيليكون الجانبية الأكثر شيوعًا هي - CH3. مجموعات الميثيل صغيرة الحجم ولها تفاعلات ضعيفة مع بعضها البعض. السلاسل ليست "لزجة" جدًا مع بعضها البعض، مثل وضع زيت تشحيم غير مرئي على المستوى الجزيئي. من الناحية المجهرية، تبدو ناعمة ولها ارتداد لطيف.
حاجز دوران منخفض: مقاومة الدوران حول رابطة Si-O صغيرة، والأجزاء مرنة مثل المفاصل المترابطة، والتي تعد أيضًا المصدر المجهري لانخفاض Tg.
لماذا هو-مقاوم للحرارة؟
رابطة Si-O نفسها قادرة جدًا على الانكسار: طاقة رابطة Si-O أعلى بكثير من طاقة روابط C-C وC-O النموذجية، مما يتطلب طاقة أعلى "لكسرها"، لذا لا يمكن كسرها بسهولة عند درجات الحرارة العالية.
الهيكل العظمي غير العضوي: السلسلة الرئيسية للمطاط العضوي بشكل عام هي C-C أو C-O، وهو أكثر عرضة للهجوم بواسطة الجذور الحرة التفاعلية تحت ظروف الأكسجين الساخن؛ تعتبر السلسلة الرئيسية Si-O أكثر استقرارًا وتخضع لشيخوخة مؤكسدة حرارية أبطأ.
يأتي مع غلاف واقي في حالة نشوب حريق: سيولد مطاط السيليكون طبقة رماد غير عضوي كثيفة تشبه ثاني أكسيد السيليكون (SiO ₂) تحت درجة حرارة عالية/لهب مفتوح، مثل تغطية نفسه سريعًا بقشرة مقاومة للحرارة- لمنع استمرار غزو الحرارة والأكسجين، لذلك يتميز عادةً بـ "الإطفاء الذاتي" و"عدم التقطير".
الخلاصة في جملة واحدة:
تأتي الليونة من مرونة السلاسل والتفاعلات الضعيفة بين الجزيئات، بينما تأتي مقاومة الحرارة من روابط Si-O القوية ومنتجات الانحلال الحراري غير العضوية. وهذان الأمران ليسا متناقضين.
