Waarom worden siliconenbuizen de voorkeur gegeven bij toepassingen met hoge temperaturen?

Inleiding: De uitdaging van het hanteren van vloeistoffen bij hoge temperaturen

Moderne systemen voor vloeistofbehandeling moeten aan zeer hoge thermische eisen voldoen. Of ze nu worden gebruikt in industriële installaties, speciale medische apparaten of analytische apparatuur, deze systemen moeten doorgaans bestand zijn tegen continue verwarming van 150 °C tot boven de 200 °C.

Bij zulke hoge temperaturen zullen traditionele organische elastomeren het zeker begeven. Materialen zoals PVC, samen met polyurethaan of nitrilrubber, verzachten bij blootstelling aan intense hitte en geven ook hun weekmakers af, waardoor ze uiteindelijk broos worden. Dit leidt tot het instorten van de boring en tot kruisbesmetting van vloeistoffen.

Polydiorganosiloxanen (siliconenelastomeren) nemen een leidende positie in binnen deze hoogwaardige materiaalcategorie. Ze bieden uitzonderlijke flexibiliteit over een breed en continu temperatuurbereik, van –50 °C tot +200 °C.

Hoewel stijve fluorpolymeren gevoelig zijn voor knikken, is siliconen net zo effectief in statische afdichtingen. Het behoudt zijn elastische terugslag in dynamische pompen. Dit garandeert zowel een uitstekende zuiverheid als een hygiënische overdracht.

Bovendien kan het materiaal vaak langer dan tien jaar gebruikt worden. De duurzaamheid van siliconen wordt bepaald door de omstandigheden waaraan het wordt blootgesteld, en niet zozeer door het verstrijken van de tijd.

Chemische architectuur en moleculaire thermische stabiliteit

De anorganische siloxaan (Si–O–Si) ruggengraat versus koolstofpolymeren

Silicone-elastomeren verschillen van conventionele organische rubbers, die gebaseerd zijn op koolstof-koolstof- of koolstof-zuurstofketens, doordat ze een zeer stabiele hybride matrix hebben. De structuur van deze matrix bestaat uit een anorganische silicium-zuurstof (Si–O–Si) siloxaanketen met daaraan bevestigde organische methylzijgroepen.

Dit type binding heeft een ongebruikelijk lange bindingslengte van 1,64 Å, samen met een open bindingshoek die wel 165,4° kan bereiken. Deze geometrische structuur gaat veel verder dan de compacte tetraëdrische beperkingen van 1,54 Å die aanwezig zijn in gewone koolstofketens.

De vrij roterende, niet-polaire methylgroepen vormen een beschermende laag koolwaterstoffen rond de polaire ruggengraat. Deze moleculaire structuur resulteert in een hoge mate van hydrofobiciteit in combinatie met een uitzonderlijk lage oppervlakte-energie (ongeveer 22 mN/m), en verleent tevens een opmerkelijke chemische inertheid.

Omdat de intermoleculaire krachten uitzonderlijk zwak zijn, heeft siliconen een ultralage glasovergangstemperatuur (Tg) van bijna –120 °C. Op kwantumniveau zorgen pd-orbitaalinteracties tussen orbitalen ervoor dat de Si–O-binding een gedeeltelijk dubbele-bindingskarakter heeft, een eigenschap die de polymeerketen sterk beschermt tegen thermische homolytische splitsing.

Hoge bindingsdissociatie-energie en thermische oxidatieweerstand

Siliconen slangHet is in staat extreme hitte te weerstaan, voornamelijk vanwege de hoge bindingsdissociatie-energie van de Si–O-binding. Deze energie, die 451 kJ/mol bedraagt, is aanzienlijk groter dan die van de C–C-binding (352 kJ/mol) en overtreft ook die van de C–O-binding (76 kcal/mol). Omdat organische ketens bij temperaturen tussen 150 °C en 200 °C in korte stukjes uiteenvallen, is de thermische kinetische energie bij deze temperaturen nog steeds niet groot genoeg om de stabiele siloxaanbindingen te verbreken.

Pas wanneer de temperatuur boven de 200 °C stijgt, begint er significante degradatie op te treden. Dit komt door de afbraak van de methylzijgroepen door vrije radicalen. Omdat siliconen geen dubbele koolstofbindingen bevatten, zijn ze van nature immuun voor ozonafbraak en foto-oxidatieve degradatie, die normaal gesproken schade veroorzaakt aan rubbers op basis van diënen.

Als siliconen worden verhit tot temperaturen boven 430 °C of worden blootgesteld aan een directe vlam, ondergaat het een ceramificatieproces. Daarbij komt onschadelijk koolstofdioxide vrij, samen met waterdamp, en vormt het tegelijkertijd een inert, isolerend as van kwartsachtig siliciumdioxide (SiO2).

Mechanische integriteit en elastomere geheugenfunctie onder hitte

Behoud van flexibiliteit en superieure weerstand tegen compressie.

Siliconen vertonen een zeer vlakke modulus-temperatuurcurve tussen –50 °C en +180 °C. De Shore A-hardheid blijft constant, zelfs bij sterke temperatuurschommelingen, en zowel de treksterkte als het algehele rekprofiel blijven zeer stabiel.

Wanneer organische rubbers continu worden samengedrukt en verhit, ondergaan ze onomkeerbare intermoleculaire dwarsverbindingen, waardoor ze hun elastische geheugen verliezen en uiteindelijk statische lekkages in de voegen ontstaan. Daarentegen vertoont siliconenrubber met een hoge consistentie (HCR), getest volgens standaard compressietests, bijvoorbeeld ASTM D395 bij 175 °C gedurende 22 uur, een grotere veerkracht en ondergaat slechts geringe permanente vervorming.

Deze lage compressievorm voorkomt dat de buiswand een permanente vlakke vorm aanneemt en zorgt zo voor een constante klemkracht die voorkomt dat vloeistof langs de pakkingoppervlakken lekt. Het allerbelangrijkste is dat het thermisch stabiele dwarsverbindingsnetwerk in siliconen de vloeistofextrusie voorkomt die bij hoge temperaturen in organische elastomeren optreedt.

Hierdoor is het materiaal in staat een constante fysieke weerstand te behouden en ook een betrouwbare krimp te garanderen tot -85 °C.

Dimensionale stabiliteit, thermische schokbestendigheid en kruipweerstand

Siliconenslangen hebben een uitstekende weerstand tegen thermische schokken en kunnen direct van cryogene bevriezing (-50 °C) naar droge hitte onder druk (+200 °C) gaan zonder microscheurtjes of delaminatie van de wand. Samengestelde siliconen hebben een zeer lage lineaire thermische uitzetting in combinatie met een hoge dimensionale stabiliteit. Hierdoor blijven de belangrijke binnendiameters en de nauwkeurige wandtoleranties ongewijzigd wanneer de vloeistof heet is.

In peristaltische systemen is siliconen effectief in het verminderen van mechanische hysteresis en biedt het goede weerstand tegen onomkeerbare dynamische kruip, zelfs bij plaatselijke verhitting.

⦁Gladde binnenwanden voorkomen vervorming van de binnenwand, zowel onder vacuüm als onder druk, waardoor de stromingscoëfficiënten uniform blijven, zelfs bij het transporteren van kokende vloeistoffen.

⦁Dynamische mechanische thermische analyse toont aan dat fysieke dwarsverbindingen, verkregen door versterking met pyrogeen siliciumdioxide, de dimensionale vorm van het polymeer stabiel kunnen houden onder een continue belasting bij 200 °C.

⦁De structurele integriteit blijft onaangetast door atmosferische luchtvochtigheid of blootstelling aan ultraviolette straling.

Vulcanisatiechemie en thermische optimalisatie

Platina-gekatalyseerde additieharding versus peroxidevulcanisatie

Vaste en vloeibare siliconenrubbers worden hoofdzakelijk op twee manieren uitgehard: door gebruik te maken van een organisch peroxide om de reactie te starten of door middel van platina-gekatalyseerde additie-crosslinking. Bij de peroxidesystemen breekt het organische peroxide thermisch af, waardoor vrije radicalen ontstaan ​​die vervolgens de methylgroepen crosslinken. Het probleem met dit proces is dat er vluchtige zure bijproducten vrijkomen, wat na verloop van tijd leidt tot vergeling en broosheid.

Daarentegen omvat de platinahydrosilylering een organometallisch complex dat de additie van siliciumhydridegroepen over vinyldubbele bindingen bevordert om stabiele ethyleenbruggen te vormen. Deze reactie produceert geen enkelvoudige splitsingsbijproducten.

Het voorkomt daardoor ontgassing bij hoge temperaturen en tevens de vorming van interne holtes, terwijl het ook oppervlaktebloei tegengaat. Buizen die met platina zijn uitgehard, blijven transparant bij verhitting.

Doordat het een nauwkeurig gedefinieerde stoichiometrische crosslinkdichtheid heeft zonder resterende actieve plaatsen, voorkomt het met succes de secundaire, door warmte geïnduceerde radicale na-uitharding die de peroxide-uitgeharde typen langzaam aantast na langdurige thermische blootstelling.

Thermische stabilisatoren, overgangsmetaaloxiden en na-uitharding in cleanrooms

Bij een bedrijfstemperatuur boven de 200 °C worden speciale additieven rechtstreeks in de siliconenbasis gemengd. Overgangsmetaaloxiden, met name ijzeroxide, fungeren als sterke vangers van vrije radicalen.

Ze vangen de alkyl- en alkoxy-vrije radicalen op die ontstaan ​​tijdens de splitsing van de methylgroepen. Hierdoor voorkomen ze de versnelde ketenafbraak en vertragen ze tegelijkertijd de oxidatieve verbrossing, wat de karakteristieke roodbruine kleur geeft die te vinden is in industriële slangen voor hoge temperaturen.

Nadat ze geëxtrudeerd zijn, desiliconen buizenHet product ondergaat een essentiële, thermostatisch gecontroleerde nabewerking in een cleanroom. Dit proces vindt doorgaans plaats bij 200 °C en kan tot wel vier uur duren.

Deze secundaire vulkanisatie dient niet alleen om het verknopingsproces af te ronden. Het belangrijkste technische doel ervan is om de laagmoleculaire cyclische siloxaanoligomeren te laten vervluchtigen voordat ze worden verwijderd. Door deze oligomeren te verwijderen, wordt dimensionale krimp tijdens gebruik geëlimineerd, evenals elk mogelijk risico op herafzetting van vluchtige stoffen, waardoor een uitstekende thermische stabiliteit wordt gegarandeerd.

Vergelijkende technische referentietabel

Toepassingen bij hoge temperaturen in gereguleerde sectoren

Medische hulpmiddelen, autoclaafstoomsterilisatie en biocompatibiliteit

In klinische omstandigheden moeten vloeistofleidingen bestand zijn tegen herhaalde sterilisatie met verzadigde stoom in autoclaven onder druk bij 134 °C. Medische siliconen behouden, in tegenstelling tot gangbare polymeren die bij herhaald gebruik de neiging hebben te barsten of extreem broos te worden, hun oorspronkelijke treksterkte na 100 opeenvolgende stoomcycli. De leiding behoudt zijn oorspronkelijke scheurweerstand en tegelijkertijd zijn optische transparantie.

Hoogzuivere medische siliconen hebben de tests volgens zowel de ISO 10993- als de USP Klasse VI-normen doorstaan ​​en vertonen volledige biocompatibiliteit zonder ftalaten vrij te geven bij blootstelling aan hete geneesmiddeleninfusies. Het is vrij van BPA-migratie en geeft geen stabilisatoren met zware metalen af.

Het hydrofobe, energiezuinige polydimethylsiloxaan-oppervlak is van nature bestand tegen de adsorptie van zowel eiwitten als biologische oxidatiemiddelen. Bovendien maakt het gebruik van geavanceerde extrusie bij hoge temperaturen nauwkeurige meerwandige vormen mogelijk.

Deze speciale microcapillairen zijn ontworpen om hete chirurgische vloeistoffen en contrastvloeistoffen te transporteren en tegelijkertijd de noodzakelijke afvoerwegen te bieden.

Voedsel- en drankenverwerking, zuiveltransport en sanitaire overdracht

Siliconenslangen van voedselkwaliteit zijn uitstekend geschikt voor het transport van hygiënische vloeistoffen met hoge temperaturen en kunnen gemakkelijk kokende bakolie tot een temperatuur van 230 °C verwerken.

Het is net zo effectief bij het doorgeven van hete siropen of warme, commerciële dranken.

Het elastomeer is geurloos en organoleptisch neutraal, wat garandeert dat er geen chemische migratie naar de gevoelige producten plaatsvindt.

Deze beschermende eigenschap is net zo goed van toepassing op het brouwen van bier, de verwerking van zuivelproducten of het overpompen van puur vruchtensap.

Silicone is bestand tegen hete ontsmettingsoplossingen en sterke vetzuren in zuivelmachines en functioneert feilloos tijdens strenge dagelijkse CIP-processen. Het materiaal heeft de volgende tests doorstaan:

FDA 21 CFR 177.2600LFGB3A Sanitaire normen

Het oppervlak blijft onbeschadigd, zelfs na blootstelling aan bijtende reinigingsmiddelen en stoomreiniging. De binnenzijde is sterk reflecterend, wat de vloeistofwrijving vermindert en de slang beschermt tegen de ophoping van microscopisch kleine deeltjes die kunnen ontstaan ​​in robuustere organische slangen.

Industriële peristaltische pompen, thermische isolatie en machines voor hoge temperaturen

Bij peristaltische pompkoppen leidt continue dynamische occlusie tot wrijving en warmteontwikkeling. Deze krachten zorgen er uiteindelijk voor dat slangen met een lagere duurzaamheid slijten en uiteindelijk breken. Zeer duurzame siliconen bieden effectieve bescherming tegen afbrokkeling van de wand en mechanische vermoeidheid, waardoor nauwkeurige dosering gegarandeerd is van -40°C tot +100°C.

Siliconenslangen met dikke wanden en hittebestendige eigenschappen zijn essentieel voor gebruik in industriële ovens, samen met ovendeurafdichtingen. Ze fungeren ook als belangrijke leidingen in turbosystemen van auto's en hebben bewezen zelfontbrandingsbestendigheid tot 430 °C.

Bovendien zijn siliconenbuizen, vanwege hun extreem hoge diëlektrische doorslagsterkte (meer dan 20 kV/mm) en UL94-brandwerendheid, de beste keuze als elektrische isolatoren. De versterkte composiet siliconenbuizen behouden hun essentiële structurele treksterkte tot 100 psig, zelfs bij het transport van vloeistoffen onder hoge temperatuur en druk. Dit is echter geen universele drukclassificatie die van toepassing is op alle siliconenbuizen. De werkelijke drukbestendigheid is sterk afhankelijk van de verhouding tussen de binnendiameter (ID) en de wanddikte, de aanwezigheid van versterking en de specifieke temperatuursomstandigheden (aangezien de barstdruk aanzienlijk afneemt bij hoge temperaturen). Daarnaast is de faaldruk onder pulserende (cyclische) omstandigheden veel lager dan de statische druk. Houd er rekening mee dat deze waarden, samen met andere parameters zoals compressievervorming, stoomsterilisatiecycli, faalcriteria, testduur en herstel van de peristaltische pomp, afhankelijk zijn van specifieke testomstandigheden die voor de betreffende toepassing moeten worden geverifieerd.

Conclusie: Duurzame ontwikkeling bij thermische vloeistofoverdracht

De duidelijke voorkeur voor het gebruik van siliconenslangen bij hoge temperaturen is stevig verankerd in de pure polymeerwetenschap, aangezien het materiaal een anorganische Si–O–Si-structuur heeft met een bindingsenthalpie van 451 kJ/mol. Naast de chemische structuur vertoont dit polymeer ook een compressiebestendigheid die gewone elastomeren niet kunnen evenaren.

Hoewel speciale thermoplasten een hoge hittebestendigheid kunnen bieden, is siliconen bijzonder omdat ze thermische bestendigheid combineren met een belangrijke dynamische elasticiteit. De mogelijkheid om ze herhaaldelijk in een autoclaaf te gebruiken, geeft ze een extra voordeel qua werking en vermindert de onderhoudstijd in diverse installaties aanzienlijk.

Veelgestelde vragen

Wat zijn enkele geschikte toepassingen voor siliconenbuizen bij hoge temperaturen?

Silicone is een standaardmateriaal voor toepassingen in de automobielindustrie bij hoge temperaturen, zoals pakkingen en O-ringen. Dankzij hun elasticiteit vormen ze een hermetisch afgesloten laag tussen twee contactoppervlakken, zelfs bij hoge temperaturen. In de lucht- en ruimtevaart beschermen ze elektronica tegen de hoge temperaturen en de bijbehorende spanningen. Silicone is, met zijn betrouwbare fysische eigenschappen, ook geschikt voor ovens, fornuizen en keukengerei.

Zijn siliconenbuizen geschikt voor medische toepassingen?

Door hun niet-giftige en hypoallergene eigenschappen zijn ze ideaal voor medische toepassingen. Met name de platina-uitgeharde varianten minimaliseren het risico dat schadelijke stoffen in farmaceutische producten of bloed terechtkomen.

Hoeveel kun je een siliconenbuis buigen bij hoge temperaturen?

Siliconenbuizen kunnen, bij benadering, tot ongeveer drie tot vijf keer hun buitendiameter worden gebogen. De werkelijke buigradius wordt beïnvloed door de binnendiameter en wanddikte, de Shore A-hardheid, de aanwezigheid van een versterkingslaag, temperatuur, vacuüm- of drukcondities en dynamische versus statische buiging. Daarom moet de minimale buigradius worden gecontroleerd voor de specifieke materiaalsamenstelling en afmetingen. De vuistregel blijft ook bij hoge temperaturen van toepassing. De elasticiteit van het materiaal maakt het mogelijk om het door krappe ruimtes te leiden. Het is echter nog steeds noodzakelijk om te voorkomen dat het materiaal in contact komt met scherpe voorwerpen.