Những điều quan trọng nhất cần biết về cao su silicone
Giới thiệu: Polyme lai vô cơ-hữu cơ
⚙Silicone là gì và nó được sản xuất như thế nào?
Các loại cao su phổ biến nhất là vật liệu gốc carbon được làm từ các hợp chất có trong dầu thô và khí tự nhiên. Cao su silicon có một điều rất đặc biệt: nó là sự kết hợp nhân tạo của hai lĩnh vực hóa học khác nhau. Nó nằm ở giao điểm của hóa học thạch anh vô cơ và thiết kế đại phân tử tổng hợp.
Phương pháp đầu tiên là phương pháp sản xuất trực tiếp để tạo ra chất đàn hồi silicone thương mại. Sau đó, các nhà sản xuất sử dụng cát thạch anh tinh chế để loại bỏ oxy và tạo ra silic nguyên tố. Tiếp theo, nó được đưa vào một lò phản ứng chuyên dụng để phản ứng với metyl clorua. Quá trình này là quá trình tầng sôi Müller-Rochow xúc tác bằng đồng.
Các polyme silicon rất mềm. Chúng là chất lỏng loãng bao gồm các chuỗi dài và thẳng. Các chuỗi này được tạo thành từ các phân tử silicon lặp lại. Việc gia cường các liên kết là điểm khác biệt giữa chất lỏng silicon cơ bản và cao su silicon thành phẩm. Nó có thể duy trì hình dạng khi kết hợp với silica nung. Cấu trúc này cho phép vật liệu tồn tại trong môi trường khắc nghiệt mà không bị phân hủy như trước đây.
✦Vì sao nó có thể sử dụng được hàng chục năm và hoạt động hiệu quả ở hầu hết mọi nơi?
Nhiều loại cao su thông thường chỉ giữ được độ mềm nhờ các nhà sản xuất thêm vào đó các loại dầu hóa học. Cao su silicone vốn dĩ bền bỉ trong thời gian dài và không cần chất phụ gia làm mềm. Về mặt phân tử, chất đàn hồi silicone vốn dĩ dẻo dai, và do đó không phụ thuộc vào:
✕Phthalates
✕Chất hóa dẻo este
✕Chất ổn định chống oxy hóa
Nhờ độ ổn định cao, cao su silicon mang lại tính ứng dụng toàn diện trong vô số lĩnh vực kỹ thuật. Cấu trúc polymer tổng thể cho phép nó hoạt động liên tục trong cả điều kiện lạnh giá và nhiệt độ cao.
Cấu trúc phân tử và các nguyên lý cơ bản của hóa học
⚒Cấu trúc xương sống Polysiloxane và nhiệt động lực học liên kết
Silicon có độ bền chắc nhờ cấu trúc xương sống silicon-oxy (--Si--O--Si--). Việc phá vỡ cấu trúc này cần 106 kcal/mol năng lượng. Con số này cao hơn so với chuỗi thẳng (C--C), chỉ cần 85 kcal/mol, và carbon-oxy (C--O), cần 76 kcal/mol. Các liên kết này rất quan trọng để ngăn chặn sự phá vỡ silicon:
⚠Phân tách nhiệt
⚠Nhiệt phân
⚠Tia cực tím mặt trời
⚠Tác hại của tầng ozone
Các nguyên tử cũng nằm cách xa nhau: khoảng cách giữa các nguyên tử là 1,64 Å so với 1,54 Å trong liên kết C--C, ở góc 134°–142° thay vì góc hẹp 110° trong liên kết tứ diện của cacbon. Quá trình quay tiêu tốn 0 kJ/mol, do đó các chuỗi có cấu trúc xoắn ốc. Trong cấu trúc này, các nhóm metyl (--CH3) bên ngoài che chắn trục phân cực và giữ cho lực liên phân tử ở mức thấp.
✎Phân loại polyme và chức năng nhóm phụ hữu cơ
Tiêu chuẩn ASTM D1418 gắn nhãn "Q" cho chất đàn hồi vì cấu trúc xương sống silicon bốn chiều của chúng, về mặt kỹ thuật được gọi là xương sống bậc bốn. Chúng sử dụng các chữ cái phía trước cho các nhóm carbon được gắn kèm:
●MQ: Sử dụng hai nhóm metyl để cách điện và ổn định nhiệt.
●VMQ/MVQ: Chứa từ 0,1 đến 0,5 mol% nhóm vinyl (–CH=CH2) làm vị trí phản ứng để liên kết ngang bằng peroxide nhanh hơn hoặc đóng rắn bằng bạch kim.
●PVMQ/PMQ. Ngăn chặn sự hình thành tinh thể nhờ các vòng phenyl cồng kềnh (–C6H5), làm giảm điểm giòn ở nhiệt độ thấp xuống -100°C hoặc -110°C, thích hợp cho các ứng dụng hàng không vũ trụ ở nhiệt độ cực thấp và vùng Bắc Cực.
●FVMQ: Có khả năng chống lại các chất tẩy dầu mỡ, hydrocarbon béo/thơm và nhiên liệu, đồng thời vẫn giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp.
Động lực học cơ học và hiệu suất môi trường
❄Các giới hạn nhiệt độ và cơ chế chuyển pha thủy tinh (Tg)
Methyl silicone tiêu chuẩn có nhiệt độ chuyển pha thủy tinh trong khoảng -120 đến -123 °C do lực cản không gian tối thiểu. Mặt khác, cao su hydrocarbon bị nứt ở nhiệt độ -20 đến -40 °C, trong khi silicone vẫn dẻo và đàn hồi ở nhiệt độ cực thấp.
Vật liệu VMQ tiêu chuẩn có khả năng hoạt động trong phạm vi nhiệt độ từ -50°C đến +200°C (liên tục đến +220°C). Các hỗn hợp đã được ổn định nhiệt có thể chịu được nhiệt độ tăng đột ngột lên đến +300°C mà không bị phân hủy phân tử. Các hỗn hợp đặc biệt sẽ hóa thủy tinh thành dạng gốm trong ngọn lửa, do đó tạo ra một lớp tro SiO2 trên các dây cáp an toàn. Tuy nhiên, hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính của nó là từ 2 đến 4 × 10^-4 K^-1, lớn hơn khoảng 100 lần so với thép dụng cụ (1,5 × 10^-6 K^-1), và vì lý do này, nó đòi hỏi thiết kế co ngót khuôn chính xác.
⏱Biến dạng nén, phục hồi đàn hồi và niêm phong động
Khả năng phục hồi của gioăng silicon sau khi kẹp chặt là như thế nào? Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm như ISO 815-1 và ASTM D395 Phương pháp B có thể phát hiện hiện tượng biến dạng kéo dài bằng cách nén mẫu xuống 25% trong 22 giờ ở 175°C và sau đó kiểm tra vết lõm tạo ra. Trái ngược với cao su, vốn trở nên mềm nhũn, các hỗn hợp silicon cao cấp, có độ phẳng từ 5–25%, tiếp tục đàn hồi để duy trì độ kín.
Đối với các bộ phận tĩnh như mặt bích, gioăng mặt, vòng chữ O và cửa lò nướng, silicone là lựa chọn tốt nhất vì nó không phù hợp để sử dụng với các trục quay động. Trong môi trường không khí khắc nghiệt, nó hoạt động tốt hơn các loại cao su chưa bão hòa, vì nó không bị nứt sau khi tiếp xúc với ozone trong 96 giờ ở nồng độ 200 ppm, ở nhiệt độ 40°C và với độ biến dạng 80%. Silicone được xử lý bằng bạch kim có thể chịu được hơn 100 lần làm sạch bằng hơi nước ở 134°C và vẫn cứng chắc mà không bị mềm do phân hủy nước.
◆Sự lan truyền của nước mắt, phổ độ cứng và sự bong tróc do nhu động ruột.
Cao su polydimethylsiloxane nguyên chất có bản chất yếu, giống như bột nhão. Để tăng độ bền, các nhà sản xuất trộn thêm bột silica hun khói/pyrogenic với diện tích bề mặt đo bằng khí rất lớn, trên 100 m²/g. Điều này giúp tăng độ bền kéo của cao su lên từ 5 đến 11 N/mm² và độ giãn dài từ 100 đến 1.100%. Nó cũng có dải độ cứng từ 3 Shore A (dạng gel) đến 90 Shore A (dạng gioăng) cứng theo tiêu chuẩn ISO 48-4.
Tuy nhiên, giá trị độ bền xé phụ thuộc hoàn toàn vào cách bạn cắt dải thử. Dải thử hình lưỡi liềm ASTM D 624 Die B cho kết quả từ 5 đến 55 N/mm. Dải thử cắt góc ISO 34-1 Method Bb cho kết quả thấp hơn tới 30%. Dải thử cắt đôi ISO 34-1 Method A cho kết quả thấp hơn tới 50%.
Máy bơm nhu động y tế sử dụng cơ chế nén và tắc nghẽn tuần hoàn bằng các con lăn quay.ống y tế TPECần có độ đàn hồi nhanh từ 30 đến 70 phần trăm. Điều này đảm bảo lòng ống bên trong bật trở lại. Nếu không, sự ma sát liên tục của con lăn có thể khiến thành trong bong ra những mảnh cao su nhỏ vào chất lỏng.
▦Bảng 1: Hóa học liên kết ngang và lưu hóa: Phản ứng cộng xúc tác bạch kim so với phản ứng lưu hóa gốc peroxit
| Tham số | Phương pháp đóng rắn bằng cách thêm bạch kim (hydrosilylation) | Phương pháp xử lý gốc peroxide |
|---|---|---|
| Cơ chế phản ứng | Chất liên kết ngang Si–H siloxan được thêm vào các liên kết vinyl C=C của polyme thông qua chất xúc tác Pt | Sự phân hủy nhiệt của peroxit hữu cơ tạo ra các gốc tự do có thể lấy đi H hoặc tấn công vinyl. |
| Sản phẩm phụ của phản ứng | Không có sản phẩm phụ nào được tạo thành (phản ứng cộng sạch) | Các axit phân hủy hữu cơ, các mảnh dễ bay hơi (axit benzoic, rượu phenyl) |
| Nhiệt độ đóng rắn | 120°C đến 200°C (động học nhanh, có thể điều chỉnh nhiệt độ) | 150°C đến 200°C (yêu cầu vượt qua thời gian bán hủy của peroxide) |
| Độ nhạy của O2 trong khí quyển | Không bị ảnh hưởng bởi không khí xung quanh; khô hoàn toàn và không còn dính. | Bị ức chế bởi oxy trong không khí; các bề mặt tiếp xúc với không khí vẫn dính ngay cả khi không có áp suất/khí trơ. |
| Nguy cơ ngộ độc chất xúc tác | Độ nhạy cao với các chất gây độc cho chất xúc tác (amin, lưu huỳnh, hợp chất hữu cơ thiếc, phốt pho, cao su hữu cơ) | Có khả năng chống chịu cực tốt với các chất gây ô nhiễm môi trường và các chất độn pha trộn nặng. |
| Yêu cầu sau xử lý | Tùy chọn đối với các bộ phận công nghiệp; bắt buộc đối với các bộ phận tiếp xúc với thiết bị y tế/thực phẩm để loại bỏ các cyclosiloxan dễ bay hơi. | Bắt buộc phải loại bỏ mùi hôi do phân hủy peroxide dễ bay hơi và hiện tượng kết tinh trên bề mặt. |
| Tính phù hợp về mặt pháp lý | Lựa chọn tiêu chuẩn cho các ứng dụng USP Class VI, ISO 10993, FDA, BfR XV và EP 3.1.9. | Thường được sử dụng trong các cấu hình công nghiệp nói chung, ống dẫn ô tô và gioăng tiêu chuẩn thương mại. |
Động học lưu hóa và kỹ thuật xử lý
⚡Phản ứng hydrosilylation của platin so với phản ứng liên kết ngang bằng gốc peroxide
Quá trình chuyển đổi silicon thô thành cao su đàn hồi bao gồm hai phương pháp lưu hóa chính. Điều này không phụ thuộc vào dạng vật liệu, có thể là khối rắn hoặc dạng lỏng có thể bơm được. Trong trường hợp lưu hóa bằng peroxide, các hợp chất hóa học bị phân hủy ở nhiệt độ từ 150°C đến 200°C để tạo ra các gốc liên kết. Tuy nhiên, oxy trong môi trường xung quanh ngăn chặn phản ứng này, do đó các bề mặt tiếp xúc vẫn dính trừ khi vật liệu được nung dưới áp suất, trong hơi nước hoặc trong buồng khí trơ.
Phản ứng hydrosilylation, một kỹ thuật dựa trên bạch kim, giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng chất xúc tác kim loại quý để hướng dẫn sự liên kết của các nhóm silicon-hydride với các nhóm vinyl trong phạm vi nhiệt độ 120–200°C. Vì không tạo ra chất thải hóa học, các thành phần vẫn giữ được độ trong suốt, mùi vị và mùi thơm ban đầu. Vấn đề thực sự duy nhất là chất xúc tác dễ bị nhiễm bẩn bởi ngay cả một lượng nhỏ amin, lưu huỳnh, hoặc thậm chí là cặn cao su cũ từ thiết bị sản xuất, có thể làm gián đoạn quá trình này.
♨Động lực học của quá trình hoàn thiện thứ cấp và khử khí sau khi xử lý
Hình dạng của các chi tiết được đúc vẫn được giữ nguyên sau khi tháo khuôn, nhưng vẫn cần quá trình xử lý nhiệt thứ cấp. Các chi tiết có thể được nung ở 200°C trong lò nung đối lưu cưỡng bức trong ít nhất bốn giờ để tăng cường độ bền cơ học và loại bỏ bất kỳ chất dễ bay hơi nào bị kẹt lại.
Việc gia nhiệt trong môi trường có peroxit ngăn chặn sự di chuyển của các nhóm axit và sự hình thành bụi trắng trên bề mặt. Đối với các sản phẩm y tế được xử lý bằng bạch kim, quá trình này loại bỏ các phân tử vòng dễ bay hơi như siloxan D4, D5 và D6. Cuối cùng, quá trình xử lý nhiệt này tối ưu hóa mật độ liên kết ngang và giảm độ biến dạng nén xuống mức thấp nhất có thể.
▦Bảng 2: Ma trận hiệu suất vật liệu: Cao su silicon (VMQ/PVMQ) so với các chất đàn hồi công nghiệp thay thế
| Thuộc tính hiệu suất | Cao su silicon (VMQ / PVMQ) | Cao su Nitrile (NBR) | Cao su EPDM | Chất đàn hồi flo (FKM / Viton®) | Chất đàn hồi nhiệt dẻo (TPE / TPU) |
|---|---|---|---|---|---|
| Phạm vi nhiệt độ hoạt động | -50°C đến +220°C (PVMQ: xuống đến -110°C) | -30°C đến +100°C | -45°C đến +130°C | -20°C đến +200°C | -40°C đến +85°C |
| Biến dạng nén ở nhiệt độ cao (175°C) | Xuất sắc (5% đến 25%) | Hỏng hóc (Suy thoái nhiệt) | Kém / Suy giảm (>70%) | Tốt (15% đến 30%) | Tan chảy hoàn toàn / Sự cố dòng chảy |
| Khả năng tương thích sinh học & Chất chiết xuất | Độ tinh khiết cao nhất (Không chứa chất hóa dẻo; USP Loại VI) | Kém chất lượng (Chứa chất dẻo, lưu huỳnh, kẽm) | Độ cay vừa phải (Có chứa dầu chế biến) | Mức độ khó: Trung bình đến Cao (Chỉ áp dụng cho các chuyên ngành) | Tốt (Tùy thuộc vào cấp độ; hàm lượng chất chiết xuất thấp) |
| Khả năng chống chịu với dầu và nhiên liệu không phân cực | Kém (Hiện tượng trương nở nghiêm trọng trong hydrocarbon) | Xuất sắc | Kém (Sự trương nở trong hydrocarbon) | Nổi bật | Tốt đến Xuất sắc |
| Độ bền kéo và độ bền xé | Độ cứng trung bình (5–11 MPa; 15–50 N/mm) | Cao (10–25 MPa) | Mức độ từ trung bình đến cao (10–20 MPa) | Cao (10–20 MPa) | Rất cao (20–40 MPa) |
| Khả năng chống tia cực tím, ozone và thời tiết | Hầu như không thấm nước (khung siloxan) | Kém (Cần chất khử ozone) | Nổi bật | Nổi bật | Trung bình đến tốt |
Tuân thủ quy định và ứng dụng trong ngành
✚Khả năng tương thích sinh học đạt tiêu chuẩn y tế và khả năng tạo ống đa khoang
Thiết bị y tế phải được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo an toàn khi sử dụng tiếp xúc với bệnh nhân. Vật liệu được lựa chọn dựa trên các tiêu chuẩn y tế nghiêm ngặt. Các loại silicone được đề cập đã được chứng nhận theo tiêu chuẩn USP Class VI và ISO 10993, có nghĩa là chúng không độc hại, không gây sốt và tương thích với máu. Vì các loại được xử lý bằng bạch kim có bản chất kỵ nước, nên không gây chảy máu hoặc phản ứng miễn dịch không mong muốn.
Từ góc độ sản xuất, ép đùn chính xác cho phép sản xuất các loại ống đa lumen phức tạp, bao gồm các kênh dẫn chất lỏng đóng gói, bơm bóng và dây dẫn hướng, tất cả trong cùng một hình dạng. Các nhà sản xuất cũng ép đùn đồng thời các thanh bari sulfat hoặc bismuth để đảm bảo khả năng hiển thị rõ nét trên tia X. Hơn nữa, các sản phẩm này có thể chịu được các quy trình khử trùng thông thường trong bệnh viện (hấp tiệt trùng bằng hơi nước, etylen oxit, tia gamma) mà không bị nứt.
✦Vệ sinh tiếp xúc với thực phẩm, chất thôi nhiễm và vận chuyển chất lỏng
Cao su silicone là lựa chọn tốt nhất để sử dụng trong chế biến thực phẩm và đồ uống vì nó kết hợp giữa các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt với độ bền tuyệt vời. Nó đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế chính bao gồm FDA 21 CFR 177.2600, tiêu chuẩn BfR XV của Đức, NSF-51 và các yêu cầu vệ sinh 3A.
Đặc tính hiệu suất
✓Vật liệu này hoàn toàn không gây ảnh hưởng đến cảm quan và sẽ không ảnh hưởng đến mùi vị, mùi thơm hoặc màu sắc của các sản phẩm sữa và đồ uống dễ hư hỏng.
✓Các đường ống đã được kiểm tra để chịu được các quy trình làm sạch bằng dung dịch kiềm mạnh (Clean-in-Place - CIP) và chu kỳ khử trùng bằng hơi nước (Steam-in-Place - SIP) ở nhiệt độ 134°C.
✓Sản phẩm có độ ổn định nhiệt cao và hoạt động đáng tin cậy từ -50°C trong tủ đông đến +200°C trong lò nướng công nghiệp, vẫn giữ được độ dẻo ngay cả khi không sử dụng chất làm mềm dẻo.
✓Về khả năng tương thích hóa học, sản phẩm này thích hợp sử dụng với nước, cồn và axit nhẹ, nhưng trong trường hợp tiếp xúc lâu dài với axit vô cơ đậm đặc hoặc chất béo không phân cực thì cần phải thử nghiệm.
Kết luận và chiến lược tìm nguồn cung ứng chất đàn hồi
★Vì sao Silicone là số 1 – Và tại sao sản xuất chính xác lại quan trọng?
Cao su silicone là một loại vật liệu lai, và đó là lý do thu hút các kỹ sư sử dụng nó trong các ứng dụng quan trọng. Silicone được sử dụng trong các ứng dụng y tế và thực phẩm quan trọng. Nó được ứng dụng trong các thiết bị công nghiệp chủ yếu nhờ vào cấu trúc khoáng chất, phạm vi nhiệt độ rộng (-50°C đến +220°C), độ an toàn cho cơ thể và khả năng chống biến dạng vĩnh viễn, khiến nó trở thành một vật liệu không thể thiếu.
Nhưng ngay cả với vật liệu tốt nhất, kết quả cuối cùng vẫn phụ thuộc vào việc hiểu rõ khía cạnh sản xuất. Vật liệu cần trải qua nhiều công đoạn để chuyển đổi từ cao su đơn giản thành các bộ phận đáng tin cậy với dung sai cực kỳ nhỏ. Bạn cần kích thước khuôn chính xác để bù trừ cho sự co ngót khi làm nguội và điều kiện phòng sạch để gia công chính xác. Thực hiện đúng các bước này sẽ tạo ra các linh kiện hiệu suất cao, bền hơn so với các sản phẩm thay thế thông thường.
✉Hợp tác với Ruixiang Silicone để sản xuất theo yêu cầu.
Bạn đang tìm kiếm đối tác sản xuất đáng tin cậy? Công ty TNHH Sản phẩm Silicone Chính xác Dongguan Ruixiang có 14 năm kinh nghiệm. Phòng sạch GMP cấp độ 100.000 đạt chứng nhận ISO 13485 của họ cung cấp các giải pháp tùy chỉnh trọn gói, từ khâu sản xuất đến lắp ráp.ống y tếvà các loại ống thông đa lòng cho đến các loại ống dẫn thực phẩm tuân thủ tiêu chuẩn FDA và các loại gioăng đúc, được sản xuất theo đúng thông số kỹ thuật của bạn.
➤Bước cuối cùng, hãy liên hệ với Ruixiang Silicone ngay hôm nay tại www.medicalsiliconetube.com để nói chuyện trực tiếp với các chuyên gia kỹ thuật và yêu cầu các mẫu được thiết kế riêng cho các ứng dụng xử lý chất lỏng và làm kín quan trọng của bạn.
Câu hỏi thường gặp
QCao su silicon khác với các loại cao su thông thường làm từ carbon như thế nào?
Cao su silicone có cấu trúc khung silicon-oxy thay vì chuỗi carbon. Nó không cần bất kỳ chất làm mềm hóa học, phthalate hoặc chất hóa dẻo este nào để duy trì độ bền theo thời gian. Nó có cấu trúc phân tử linh hoạt vốn có.
QQuá trình đóng rắn bằng peroxide khác với quá trình đóng rắn bằng cách thêm bạch kim như thế nào?
Phản ứng hydrosilylation là một quá trình đóng rắn bằng cách thêm bạch kim. Nó lý tưởng cho các ứng dụng y tế vì sạch, nhanh, không nhạy cảm với oxy và không tạo ra sản phẩm phụ. Cách duy nhất để các gốc tự do được đưa vào trong quá trình đóng rắn bằng peroxide là thông qua sự phân hủy nhiệt.
QTại sao cao su silicon lại phổ biến đến vậy trong lĩnh vực thực phẩm và y học?
Cao su silicon đáp ứng các tiêu chuẩn quy định nghiêm ngặt, chẳng hạn như các tiêu chuẩn do USP Class VI, ISO 10993, FDA và BfR XV đặt ra. Thực phẩm và các loại dung dịch y tế sẽ không bị thay đổi mùi vị, màu sắc hoặc mùi vì nó không độc hại, tương thích sinh học với máu, chịu nhiệt lên đến 200°C và hoàn toàn không ảnh hưởng đến cảm quan.