أهم المعلومات التي يجب معرفتها عن مطاط السيليكون

مقدمة: البوليمر الهجين غير العضوي العضوي

⚙ما هو السيليكون وكيف يتم تصنيعه

أكثر أنواع المطاط شيوعًا هي مواد كربونية مصنوعة من مركبات موجودة في النفط الخام والغاز الطبيعي. يتميز مطاط السيليكون بخصوصية فريدة، فهو مزيج مصنّع من مجالين مختلفين في الكيمياء، إذ يقع عند نقطة التقاء كيمياء الكوارتز غير العضوية وتصميم الجزيئات الكبيرة الاصطناعية.

الطريقة الأولى هي طريقة تصنيع مباشرة لإنتاج مطاط السيليكون التجاري. يقوم المصنّعون بأخذ رمل الكوارتز المكرر لإزالة الأكسجين وتحويله إلى سيليكون عنصري. ثم يُرسل إلى مفاعل متخصص حيث يتفاعل مع كلوريد الميثيل. وتُعرف هذه العملية باسم تفاعل مولر-روشو ذي الطبقة المميعة المحفز بالنحاس.

بوليمرات السيليكون لينة، وهي سوائل سائلة تتكون من سلاسل طويلة ومستقيمة. تتألف هذه السلاسل من جزيئات سيليكون متكررة. ما يميز سائل السيليكون الأساسي عن مطاط السيليكون النهائي هو تقوية هذه الروابط. يستطيع مطاط السيليكون الحفاظ على شكله عند دمجه مع السيليكا الحرارية. تسمح هذه البنية للمادة بالعمل في بيئات قاسية دون أن تتحلل، وهو أمر لم يسبق له مثيل.

✦لماذا يدوم لعقود ويعمل في أي مكان تقريبًا

تحافظ العديد من أنواع المطاط التقليدية على ليونتها فقط لأن الشركات المصنعة تضيف إليها زيوتًا كيميائية إضافية. أما مطاط السيليكون، فهو متين بطبيعته على المدى الطويل ولا يحتاج إلى مواد مُليّنة. وعلى المستوى الجزيئي، يتميز مطاط السيليكون بمرونته الطبيعية، وبالتالي لا يعتمد على:

✕الفثالات

✕الملدنات الإسترية

✕مثبتات مضادات الأكسدة

بفضل ثباته العالي، يتميز مطاط السيليكون بتعدد استخداماته في مجالات هندسية لا حصر لها. كما أن تركيبته البوليمرية تسمح له بالعمل المتواصل في درجات حرارة شديدة البرودة والحرارة.

البنية الجزيئية والأساسيات الكيميائية

⚒العمود الفقري للبولي سيلوكسان وديناميكا الروابط الحرارية

يستمد السيليكون صلابته من هيكله الأساسي المكون من السيليكون والأكسجين (--Si--O--Si--). يتطلب كسر هذا الهيكل طاقة مقدارها 106 كيلو كالوري/مول. وهذا يفوق طاقة السلسلة المستقيمة (C--C) التي تبلغ 85 كيلو كالوري/مول، وطاقة رابطة الكربون والأكسجين (C--O) التي تتطلب 76 كيلو كالوري/مول. هذه الروابط ضرورية لمنع:

⚠الانقسام الحراري

⚠الانحلال الحراري

⚠الأشعة فوق البنفسجية الشمسية

⚠تلف الأوزون

تتباعد الذرات أيضًا بمسافة كبيرة: 1.64 أنغستروم بين الذرات مقابل 1.54 أنغستروم في ذرة الكربون المرتبطة بروابط رباعية، بزوايا تتراوح بين 134° و142° بدلًا من الزاوية الضيقة 110° في ذرة الكربون المرتبطة بروابط رباعية الأوجه. لا تتطلب عملية الدوران أي طاقة (كيلوجول/مول)، لذا تتخذ السلاسل بنية حلزونية. في هذه البنية، تحمي مجموعات الميثيل الخارجية (-CH3) العمود الفقري القطبي، مما يُبقي قوى التجاذب بين الجزيئات منخفضة.

✎تصنيف البوليمرات ووظائف المجموعات الجانبية العضوية

تُصنّف قواعد ASTM D1418 المطاطات باستخدام الحرف "Q" للدلالة على هيكلها السيليكوني رباعي الاتجاهات، والذي يُطلق عليه تقنيًا اسم العمود الفقري الرباعي. وتستخدم هذه القواعد الأحرف الأولى للدلالة على مجموعات الكربون المتصلة بها.

●MQ: يستخدم وحدتين من الميثيل للعزل الكهربائي والاستقرار الحراري.

●VMQ/MVQ: يحتوي على 0.1 إلى 0.5 مول% من مجموعات الفينيل (–CH=CH2) كمواقع تفاعلية لربط البيروكسيد بشكل أسرع أو معالجة البلاتين.

●PVMQ/PMQ. يمنع تكوين البلورات عن طريق حلقات الفينيل الضخمة (–C6H5)، مما يقلل نقطة الهشاشة الباردة إلى -100 درجة مئوية أو -110 درجة مئوية لتطبيقات الفضاء الجوي المبردة والقطبية.

●FVMQ: يوفر مقاومة لمنظفات الزيت والهيدروكربونات الأليفاتية/العطرية والوقود، مع الحفاظ على مرونته في درجات الحرارة المنخفضة.

الديناميكا الميكانيكية والأداء البيئي

❄درجات الحرارة القصوى وميكانيكا التحول الزجاجي (Tg)

يتميز السيليكون الميثيلي القياسي بدرجة حرارة انتقال زجاجي تتراوح بين -120 و -123 درجة مئوية نظرًا لانخفاض الإعاقة الفراغية فيه. في المقابل، تتشقق المطاطات الهيدروكربونية عند درجات حرارة تتراوح بين -20 و -40 درجة مئوية، بينما يبقى السيليكون مرنًا وقابلًا للتمدد حتى في درجات الحرارة المنخفضة جدًا.

يُمكن لسبائك VMQ القياسية العمل ضمن نطاق درجة حرارة يتراوح بين -50 درجة مئوية و+200 درجة مئوية (+220 درجة مئوية بشكل مستمر). وتتحمل الخلطات المُعالجة حراريًا ارتفاعات مفاجئة في درجات الحرارة تصل إلى +300 درجة مئوية دون أن تتعرض لتفكك جزيئي. وتتحول الخلطات الخاصة إلى شكل زجاجي خزفي عند تعرضها للهب، تاركةً طبقة واقية من رماد ثاني أكسيد السيليكون على كابلات الأمان. مع ذلك، فإن معامل التمدد الحراري الخطي لهذه السبائك يتراوح بين 2 و4 × 10⁻⁴ كلفن⁻¹، وهو أكبر بحوالي 100 مرة من معامل تمدد فولاذ الأدوات (1.5 × 10⁻⁶ كلفن⁻¹)، ولذلك يتطلب تصميمًا دقيقًا لانكماش القالب.

⏱مجموعة الضغط، والاستعادة المرنة، والإغلاق الديناميكي

ما مدى استعادة حشية السيليكون لشكلها بعد تثبيتها؟ يمكن للاختبارات المعملية، مثل ISO 815-1 وASTM D395 (الطريقة ب)، الكشف عن التسطح المستمر عن طريق ضغط عينة بنسبة 25% لمدة 22 ساعة عند درجة حرارة 175 درجة مئوية، ثم فحص الانبعاج الناتج. على عكس المطاط الذي يصبح ليناً، فإن مزيجات السيليكون العلوية، التي تتراوح نسبة تسطحها بين 5 و25%، تستمر في التمدد للحفاظ على إحكام الإغلاق.

عند استخدام السيليكون في الأجزاء الثابتة كالحواف، وأختام الوجه، والحلقات الدائرية، وأبواب الأفران، يُعدّ الخيار الأمثل، إذ لا يُناسب استخدامه مع الأعمدة الدوارة. في البيئات القاسية، يتفوق السيليكون على المطاط غير المشبع، فهو لا يتشقق بعد تعريضه للأوزون لمدة 96 ساعة بتركيز 200 جزء في المليون، عند درجة حرارة 40 درجة مئوية وإجهاد 80%. ويمكن للسيليكون المعالج بالبلاتين أن يتحمل أكثر من 100 دورة تنظيف بالبخار عند 134 درجة مئوية، ويحافظ على صلابته ومتانته دون أن يلين نتيجة لتلف الماء.

◆انتشار التمزق، طيف مقياس الصلابة، والتفتت التمعجي

صمغ بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان وحده ضعيف كالعجين. ولزيادة صلابته، يضيف المصنّعون إليه مساحيق السيليكا المدخنة/المولدة للحرارة ذات مساحة سطحية هائلة تزيد عن 100 متر مربع/غرام. ينتج عن ذلك قوة شد للمطاط تتراوح بين 5 و11 نيوتن/مم² واستطالة تتراوح بين 100 و1100%. كما يوفر نطاقًا واسعًا من الصلابة، بدءًا من 3 درجات شور A للجل وصولًا إلى 90 درجة شور A للحشيات الصلبة، وفقًا لمعايير ISO 48-4.

لكنّ أرقام التمزق تعتمد كلياً على طريقة قص شريط الاختبار. يُعطي شريط ASTM D 624 Die B المقطوع على شكل هلال قراءة تتراوح بين 5 و55 نيوتن/مم. أما الشريط المقطوع بزاوية وفقاً لطريقة ISO 34-1 Method Bb فيعطي قراءة أقل بنسبة تصل إلى 30%. بينما يعطي الشريط المقطوع بشكل مقسم وفقاً لطريقة ISO 34-1 Method A قراءة أقل بنسبة تصل إلى 50%.

تستخدم المضخات التمعجية الطبية الضغط والانسداد الدوريين عن طريق تدوير البكرات.أنابيب طبية من مادة TPEيحتاج إلى ارتداد سريع بنسبة تتراوح بين 30 و70 بالمئة. يضمن ذلك عودة التجويف الداخلي إلى وضعه المفتوح. وإلا، فإن الاحتكاك المستمر بالبكرة قد يتسبب في تقشر الجدار الداخلي وسقوط رقائق مطاطية صغيرة في السائل.

▦الجدول 1: كيمياء الربط المتشابك والتصلب: الإضافة المحفزة بالبلاتين مقابل الفلكنة الجذرية بالبيروكسيد

حركية الفلكنة وهندسة المعالجة

⚡الهدرجة السيليكونية للبلاتين مقابل الربط المتقاطع بجذور البيروكسيد

تتضمن عملية تحويل السيليكون الخام إلى مطاط مرن طريقتين أساسيتين للمعالجة، بغض النظر عن شكل المادة، سواء كانت كتلًا صلبة أو سائلة قابلة للضخ. في حالة المعالجة بالبيروكسيد، تتحلل المركبات الكيميائية بين 150 و200 درجة مئوية لتكوين جذور رابطة. إلا أن الأكسجين الموجود في الهواء يوقف هذا التفاعل، لذا تبقى الأسطح المكشوفة لزجة ما لم تُخبز المادة تحت ضغط، أو في بخار، أو داخل غرف غاز خامل.

تتجاوز عملية الهدرجة السيليكونية، وهي تقنية تعتمد على البلاتين، هذه المشكلة باستخدام محفز من المعادن النفيسة لتوجيه ارتباط مجموعات هيدريد السيليكون بمجموعات الفينيل ضمن نطاق درجة حرارة يتراوح بين 120 و200 درجة مئوية. ولأنها لا تُنتج أي نفايات كيميائية، تحتفظ المكونات بنقائها وطعمها ورائحتها الأصلية. تكمن المشكلة الحقيقية الوحيدة في سهولة تلوث المحفز بكميات ضئيلة من الأمينات أو الكبريت أو حتى بقايا المطاط القديم من معدات التصنيع، مما قد يُعطّل العملية.

♨ديناميكيات التشطيب الثانوي وإزالة الغازات بعد المعالجة

يُحافظ على شكل الأجزاء المصبوبة بعد إخراجها من القالب، ولكن لا تزال هناك حاجة إلى معالجة لاحقة ثانوية. يمكن خبز الأجزاء في فرن حراري يعمل بالهواء القسري عند درجة حرارة 200 درجة مئوية لمدة أربع ساعات على الأقل لتثبيت قوتها الميكانيكية وإزالة أي مواد متطايرة عالقة.

يمنع التسخين بوجود البيروكسيدات انتقال المجموعات الحمضية وتكوّن غبار أبيض ناعم على السطح. بالنسبة للمنتجات الطبية المعالجة بالبلاتين، يزيل التسخين جزيئات الحلقة المتطايرة مثل سيلوكسانات D4 وD5 وD6. وأخيرًا، تعمل هذه المعالجة الحرارية الأخيرة على تحسين كثافة التشابك وتقليل التشوه الدائم بالضغط إلى أدنى مستوى تشغيلي ممكن.

▦الجدول 2: مصفوفة أداء المواد: مطاط السيليكون (VMQ/PVMQ) مقابل المطاط الصناعي البديل

الامتثال التنظيمي والتطبيقات الصناعية

✚التوافق الحيوي من الدرجة الطبية والبثق متعدد الفتحات

يجب اختبار المعدات الطبية بدقة لضمان استخدامها الآمن مع المرضى. تُختار المواد المستخدمة وفقًا لمواصفات طبية صارمة. السيليكونات المستخدمة معتمدة وفقًا لمعايير USP Class VI وISO 10993، مما يعني أنها غير سامة، وغير مولدة للحمى، ومتوافقة حيويًا مع الدم. ولأن الأنواع المعالجة بالبلاتين كارهة للماء بطبيعتها، فلا يحدث نزيف أو استجابة مناعية غير مرغوب فيها.

من الناحية التصنيعية، تُمكّن عملية البثق الدقيق من إنتاج أنابيب معقدة متعددة التجاويف، تتضمن قنوات لتوصيل سائل التعبئة، ونفخ البالون، وسلك التوجيه، كل ذلك في مقطع واحد. كما يقوم المصنّعون ببثق قضبان من كبريتات الباريوم أو البزموت لضمان وضوحها في صور الأشعة السينية. علاوة على ذلك، تتحمل هذه الأنابيب إجراءات التعقيم التقليدية في المستشفيات (التعقيم بالبخار، وأكسيد الإيثيلين، وأشعة جاما) دون أن تتشقق.

✦النظافة الصحية المتعلقة بملامسة الطعام، والمواد القابلة للترشيح، ونقل السوائل

يُعدّ مطاط السيليكون الخيار الأمثل للاستخدام في تصنيع الأغذية والمشروبات، إذ يجمع بين معايير السلامة التنظيمية الصارمة والمتانة الفائقة. وهو يفي بالمعايير الدولية الرئيسية، بما في ذلك معيار إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA 21 CFR 177.2600)، ومعيار المعهد الألماني لتقييم المخاطر (BfR XV)، ومعيار NSF-51، ومتطلبات 3A الصحية.

خصائص الأداء

✓المادة خالية تمامًا من أي تأثير حسي ولن تؤثر بأي شكل من الأشكال على طعم أو رائحة أو لون منتجات الألبان والمشروبات الحساسة.

✓تم اختبار هذه الخطوط لتحمل عمليات التنظيف القلوية القاسية في مكانها (CIP) ودورات التعقيم بالبخار في مكانها (SIP) عند درجة حرارة 134 درجة مئوية.

✓يتميز بثبات حراري واسع ويعمل بشكل موثوق من -50 درجة مئوية في المجمدات العميقة إلى +200 درجة مئوية في الأفران التجارية، ويظل مرنًا حتى بدون استخدام الملدنات.

✓أما بالنسبة للتوافق الكيميائي، فهو مناسب للاستخدام مع الماء والكحولات والأحماض الخفيفة، ولكن في حالة التلامس المطول مع الأحماض غير العضوية المركزة أو الدهون غير القطبية، يجب اختباره.

الخلاصة والتوريد الاستراتيجي للمطاط الصناعي

★لماذا يُعدّ السيليكون الخيار الأول؟ ولماذا تُعدّ دقة التصنيع أمراً بالغ الأهمية؟

يُعدّ مطاط السيليكون مادةً هجينة، وهذا ما يجذب المهندسين لاستخدامه في تطبيقاتهم الحساسة. يُستخدم السيليكون في التطبيقات الطبية والغذائية الحساسة، كما يُستخدم في المعدات الصناعية بشكل أساسي نظرًا لبنيته المعدنية، ونطاق درجات حرارته الواسع (من -50 درجة مئوية إلى +220 درجة مئوية)، وسلامته، ومقاومته للتسطّح الدائم، مما يجعله مادةً لا غنى عنها.

لكن حتى مع أفضل المواد، فإن النتائج تعتمد على فهم عملية التصنيع. إذ تحتاج المادة إلى الخضوع لعمليات متعددة لتحويلها من مطاط عادي إلى قطع موثوقة ذات دقة متناهية. أنت بحاجة إلى قوالب ذات أحجام دقيقة لمراعاة انكماش التبريد، وظروف غرف نظيفة لضمان دقة العمل. باتباع هذه الخطوات بشكل صحيح، ستحصل على مكونات عالية الأداء تدوم لفترة أطول من البدائل العادية في كل مرة.

✉التعاون مع شركة رويشيانغ للسيليكون في الإنتاج حسب الطلب

هل تبحث عن شريك تصنيع موثوق؟ تتمتع شركة دونغقوان رويشيانغ لمنتجات السيليكون الدقيقة المحدودة بخبرة تمتد لأربعة عشر عامًا. توفر غرفها النظيفة الحاصلة على شهادة ISO 13485، والمتوافقة مع معايير التصنيع الجيد (GMP) من المستوى 100,000، حلولًا مخصصة شاملة، بدءًا منالأنابيب الطبيةوقسطرات متعددة الفتحات إلى خراطيم الطعام المتوافقة مع معايير إدارة الغذاء والدواء الأمريكية وأختام مصبوبة، مصنوعة وفقًا لمواصفاتك الدقيقة.

➤كخطوة أخيرة، اتصل بشركة Ruixiang Silicone اليوم على www.medicalsiliconetube.com للتحدث مباشرة مع متخصصي الهندسة التقنية وطلب عينات مخصصة مصممة لتطبيقات معالجة السوائل وإحكام الغلق الحساسة الخاصة بك.

الأسئلة الشائعة

سؤالكيف يختلف مطاط السيليكون عن المطاط العادي المصنوع من الكربون؟

يتميز مطاط السيليكون بهيكل من السيليكون والأكسجين بدلاً من سلسلة الكربون. ولا يحتاج إلى أي مواد كيميائية مُليّنة أو فثالات أو مُلدّنات إسترية للحفاظ على متانته مع مرور الوقت. كما يتميز ببنية جزيئية مرنة بطبيعتها.

سؤالكيف يختلف التصلب بالبيروكسيد عن التصلب بإضافة البلاتين؟

الهدرجة السيليكونية عمليةٌ تتم بإضافة البلاتين. وهي مثالية للتطبيقات الطبية لكونها نظيفة وسريعة وغير حساسة للأكسجين، ولا تُنتج أي نواتج ثانوية. والطريقة الوحيدة لتكوين الجذور الحرة أثناء معالجة البيروكسيد هي التحلل الحراري.

سؤاللماذا يحظى مطاط السيليكون بشعبية كبيرة في مجال الأغذية والأدوية؟

يلبي مطاط السيليكون معايير تنظيمية صارمة، مثل تلك المنصوص عليها في دستور الأدوية الأمريكي (USP) الفئة السادسة، ومعيار المنظمة الدولية للمقاييس (ISO 10993)، وهيئة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA)، والمعهد الفيدرالي لتقييم المخاطر (BfR XV). ولن تتغير نكهة أو لون أو رائحة الأطعمة والسوائل الطبية، لأنه غير سام، ومتوافق حيوياً مع الدم، ومقاوم للحرارة حتى 200 درجة مئوية، ولا يؤثر على الحواس إطلاقاً.