خصائص مطاط السيليكون: دليل شامل للمواد

معظم المقالات التي تتناول "خصائص السيليكون" تبدو وكأنها مدخل موسوعي - هيكل السيليكون-أكسجين، فقرة عن المرونة، فقرة عن مقاومة الحرارة، وانتهى الأمر. وهذا لا يُفيد عند الموافقة على عرض أسعار الأدوات أو كتابة ورقة مواصفات المنتج النهائي.

مطاط السيليكون هو مادة مطاطية اصطناعية ذات هيكل أساسي من السيليكون والأكسجين والسيليكون، تعمل بشكل مستمر من -60 درجة مئوية إلى +230 درجة مئوية، ومتوفرة بصلابة شور A من 10 إلى 80، وعازلة كهربائياً حتى ~25 كيلو فولت/مم، وخاملة كيميائياً تجاه معظم الوسائط القطبية. ويتأثر الأداء الفعلي بدرجة التركيبة (الفينيل الساخن مقابل مطاط السيليكون السائل)، ونظام المعالجة (البيروكسيد مقابل البلاتين)، وشهادة المطابقة.إدارة الغذاء والدواء 21 CFR 177.2600, LFGB §30/§31, جامعة ساو باولو، الصف السادس, ايزو 10993).

هذا هو المرجع الخاص بالخصائص الذي أقدمه للمهندسين ومسؤولي المشتريات قبل مناقشة الأدوات. وهو يوضح ما هو مُدرج في مواصفات الكتالوج، وما هو مُرتبط بالدرجة، وما هي التغييرات في الإنتاج.

1. الخصائص الفيزيائية

1.1 الكثافة والوزن

تبلغ كثافة السيليكون عند 1.10–1.25 جم/سم³, يعتمد ذلك بشكل أساسي على نسبة الحشو (السيليكا المدخنة أو المترسبة). زيادة نسبة الحشو تُحسّن قوة الشد ولكنها تُقلل من الشفافية والاستطالة. السيليكون لا يطفو.

يُعدّ ذلك مهمًا لتكاليف شحن القطع الضخمة (الحصائر، والصفائح، وبطانات الأفران) وللاستخدامات الحساسة للطفو. للاطلاع على تفاصيل كل مادة على حدة، انظر السيليكون مقابل البلاستيك, بولي كلوريد الفينيل مقابل السيليكون، و السيليكون مقابل المطاط.

1.2 اللون والشفافية

صمغ السيليكون الأساسي شفاف. أما الأنواع المعالجة بالبلاتين فتبقى شفافة كالماء، بينما تميل الأنواع المعالجة بالبيروكسيد إلى اللون الأصفر المائل للبياض بسبب بقايا المحفز. يُخلط الصبغ في مرحلة الطحن أو الخلط، ولا يُضاف لاحقًا.

يعتمد ثبات اللون تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية والحرارة على اختيار الصبغة، وليس على السيليكون نفسه. تتغير درجة لون الأجزاء المصبوغة بأكسيد الحديد بعد أكثر من 1000 ساعة من التعرض للهواء الطلق؛ أما الأصباغ القائمة على الكادميوم فلا تتوافق مع توجيهات RoHS. يصل بشكل صريح.

1.3 الصلابة (شور أ)

يُعدّ Shore A الخاصية الأكثر سوء ترتيباً في مصادر السيليكون.

يتم قياس الصلابة لكل ASTM D2240 مع فترة توقف للمُدخِل لمدة ثانية واحدة. تُعطي قواعد فترة التوقف في معيار ISO 48-4 أرقامًا مختلفة. حدد طريقة الاختبار في أمر الشراء، وإلا ستتلقى قطعًا غير مطابقة للمواصفات من 5 إلى 8 نقاط شور ولن يكون لك أي حق في التعويض.

للاطلاع على كيفية تأثير الصلابة على أداء منع التسرب، والملمس، ومقاومة التآكل، انظر صلابة السيليكون شور أ: تأثيرها على الملمس، والإحكام، والمتانة و لماذا تُعد صلابة شور السيليكونية مهمة؟.

2. الخواص الميكانيكية

2.1 قوة الشد والاستطالة

أنابيب سيليكون متعددة الأغراض قوة شد من 4.5 إلى 10 ميجا باسكال و 200–800% استطالة عند الكسر وفقًا لمعيار ASTM D412 / ISO 37. درجات مقاومة التمزق العالية تدفع قوة الشد إلى 10-12 ميجا باسكال.

بالمقارنة مع مطاط الإيثيلين بروبيلين ديين مونومر (15-20 ميجا باسكال) أو المطاط الطبيعي (20-30 ميجا باسكال)، يُعد السيليكون ضعيفًا ميكانيكيًا. لذا، لا يُختار السيليكون لتحمل أحمال الشد، وإنما يُختار بناءً على نطاق درجة الحرارة، والتوافق الحيوي، وقدرته على استعادة شكله الأصلي.

عندما يسأل المشتري "ما مقدار الوزن الذي يمكن أن يتحمله السيليكون؟"، تكون الإجابة دائمًا: يعتمد ذلك على الشكل الهندسي، وليس على السيليكون نفسه. انظر ما مقدار الوزن الذي يمكن أن يتحمله السيليكون؟ في الرياضيات الهندسية.

2.2 مقاومة التمزق

قوة التمزق: 9-55 كيلو نيوتن/متر وفقًا لمعيار ASTM D624، القالب B، يتميز مطاط السيليكون السائل (LSR) بسهولة تمزيقه مقارنةً بالفينيل الحراري (HTV) نظرًا لأن المعالجة بالبلاتين تُنتج شبكة روابط متقاطعة أكثر كثافة. ولهذا السبب، تُصنع البالونات الطبية وحلمات لهايات الأطفال وكؤوس الدورة الشهرية في أغلب الأحيان من مطاط السيليكون السائل.

2.3 مجموعة الضغط

تم تحقيق ضغط مستمر وفقًا لمعيار ASTM D395 (22 ساعة عند 175 درجة مئوية) عند 5–30%. كلما انخفضت القيمة كان ذلك أفضل - فهذا يدل على مدى فشل الحشية في العودة إلى وضعها الأصلي بعد الضغط الطويل.

تصل قيمة معامل التمدد الحراري للسيليكون المعالج بالبلاتين إلى 8-15%. أما الأنواع المعالجة بالبيروكسيد، فتصل قيمتها إلى 20-30% قبل المعالجة اللاحقة، ثم تنخفض إلى حوالي 15% بعد معالجة لاحقة لمدة 4 ساعات عند 200 درجة مئوية. ويترتب على ذلك زيادة في وقت دورة الإنتاج وتكلفة الطاقة.

3. الخصائص الحرارية

3.1 نطاق درجة حرارة التشغيل

إجابة الكتالوج: من -60 درجة مئوية إلى +230 درجة مئوية بشكل مستمر. تعمل الدرجات المثبتة بأكسيد الحديد على تمديد المقاومة قصيرة المدى إلى 300 درجة مئوية.

الجواب العملي في المصانع: لا يتعطل السيليكون بشكل كارثي عند الحد الأقصى للحرارة، بل يتصلب ويفقد مرونته وتظهر عليه تشققات سطحية. عند تشغيل حصيرة الخبز باستمرار عند درجة حرارة 230 درجة مئوية، يزداد التشوه الدائم بعد 6-8 أسابيع. تظهر شكاوى العملاء بعد 3 أشهر، وليس في اليوم الأول.

للاطلاع على سلوك التحلل، انظر أعجوبة درجة حرارة انصهار السيليكون — السيليكون لا ينصهر؛ بل يتحلل مرة أخرى إلى سيليكا غير عضوية عند درجة حرارة تتراوح بين 350 و400 درجة مئوية تقريبًا.

3.2 الموصلية الحرارية

0.18–0.30 واط/م·ك بالنسبة للسيليكون غير المملوء. تصل الدرجات الموصلة حرارياً (المحملة بنتريد البورون أو الألومينا أو أكسيد الزنك) إلى 1.5-3.0 واط/متر·كلفن - وتستخدم في وسادات فجوة LED ومواد التوصيل الحراري لبطاريات السيارات الكهربائية.

السيليكون العادي عازل حراري، يشبه الخشب. لهذا السبب يعمل قفاز الفرن المصنوع من السيليكون، ولهذا السبب لا يمكنك استخدام السيليكون غير المملوء كمشتت حراري. التفاصيل في الموصلية الحرارية للسيليكون.

3.3 قابلية الاشتعال

يحتوي السيليكون القياسي على UL94 V-1 التصنيف. تصل المركبات المقاومة للهب التي تحتوي على البلاتين أو حشوات الهيدرات إلى V-0. عند احتراق السيليكون، فإنه يُخلّف رماد سيليكا غير موصل للكهرباء، ولهذا السبب تُستخدم أغلفة كابلات السيليكون في دوائر الطوارئ في المباني الشاهقة والأسلاك البحرية. انظر هل السيليكون قابل للاشتعال؟.

4. الخصائص الكهربائية

السيليكون هو أحد المواد المطاطية القليلة التي تحافظ على أدائها العازل عبر نطاق درجة حرارة التشغيل الكامل.

النقطة العملية: يلين عزل PVC عند درجات حرارة تتجاوز 90 درجة مئوية، بينما يحافظ السيليكون على قوة العزل الكهربائي حتى 200 درجة مئوية فأكثر. للاطلاع على خيارات السماكة المناسبة للجهد، انظر القوة العازلة وتصنيفات صفائح السيليكون و خيارات سمك طبقة العزل الكهربائي لألواح السيليكون.

يؤدي استخدام السيليكون الموصل المحمل بالكربون أو الفضة إلى عكس هذا النطاق تمامًا، حيث تنخفض المقاومة السطحية إلى 10⁰–10² أوم/مربع. هذه مادة مختلفة؛ انظر لوحات المفاتيح السيليكونية الموصلة وغير الموصلة.

5. الخصائص الكيميائية

5.1 الخمول والمقاومة

السيليكون مستقر كيميائياً ضد:

• الأحماض والقلويات المخففة
• المذيبات القطبية (الماء، الكحولات، الجلسرين)
• الأكسجين والأوزون - أمر غير معتاد بالنسبة للمطاط الصناعي
• معظم المواد الغذائية والسوائل البيولوجية

يتمدد السيليكون أو يتحلل في الحالات التالية:

• المذيبات غير القطبية (البنزين، التولوين، الزيوت المعدنية) - زيادة في الحجم 20-60%
• الأحماض المركزة (HCl، H₂SO₄)
• بخار مشبع فوق 150 درجة مئوية لفترة بقاء طويلة (تحلل هيكل Si-O)

يمكن عكس التورم الناتج عن التعرض القصير للمذيبات. أما التلامس المطول مع الزيت فيؤدي إلى تلف موانع التسرب المصنوعة من السيليكون في حجرات محركات السيارات - لذا يُنصح باستخدام فلوروسيليكون (FVMQ) في هذه الحالة. المرجع: خصائص مقاومة المواد الكيميائية لشرائط السيليكون.

5.2 كراهية الماء

زاوية تلامس الماء السطحي: 100–110 درجة. السيليكون يصد الماء بدون طلاء، ولهذا السبب يعتبر السيليكون عامل الفصل الافتراضي في قوالب الخرسانة، ولهذا السبب تعمل حشيات السيليكون على منع التسرب بدون إضافة مواد مانعة للتسرب.

5.3 التجوية - الأشعة فوق البنفسجية، الأوزون، الأكسدة

يحتفظ السيليكون 80-90% من الخصائص الميكانيكية بعد 5 سنوات في الهواء الطلق التعرض في ظل ظروف متسارعة ASTM G155 اختبار قوس الزينون. يتشقق المطاط الطبيعي بشكل واضح في غضون 6-12 شهرًا في الهواء الطلق.

هذه ليست مناعة كاملة. السيليكون الأسود المملوء بالكربون الأسود يدوم لفترة أطول من الأنواع الملونة؛ أما السيليكون الشفاف فيصفر بشكل واضح بعد 18-24 شهرًا من التعرض المباشر لأشعة الشمس. انظر هل السيليكون مقاوم للأشعة فوق البنفسجية؟ و شرائط سيليكون مقاومة للأشعة فوق البنفسجية والظروف الجوية.

يستغرق تحلل النفايات في مكبات النفايات على المدى الطويل ما بين 50 و500 عام. انظر كم من الوقت يستغرق السيليكون ليتحلل؟.

6. الخصائص البيولوجية وخصائص الامتثال

هنا يكمن الخطأ في معظم المواصفات. فمصطلحي "مناسب للأغذية" و"مناسب للأغراض الطبية" ليسا مترادفين، و"آمن للاستخدام مع السيليكون" ليس مصطلحاً تنظيمياً.

لا يعني تصنيف المنتج على أنه "طبي" بالضرورة أنه آمن للاستخدام مع الطعام، وذلك لاختلاف المذيبات المستخدمة في عملية الهجرة واختبارات الترشيح. انظر السيليكون الغذائي مقابل السيليكون الطبي و سيليكون صالح للطعام.

بالنسبة للمنتجات التي تلامس الجلد أو السوائل الحيوية، يجب إعادة التحقق من التوافق الحيوي على المنتج النهائي، وليس فقط على المادة الخام. تُعدّ الأصباغ، ومواد فصل القوالب، ومعالجة ما بعد المعالجة، جميعها عوامل تُخلّ بالتوافق. المرجع: هل السيليكون متوافق حيويا حقا للتطبيقات الطبية؟ و مسارات اختبار التوافق الحيوي للأجهزة الملامسة للجلد (ISO 10993).

كما أن السيليكون لا يسبب حساسية لمعظم المستخدمين — انظر هل السيليكون مضاد للحساسية؟.

7. كيف تتغير الخصائص باختلاف نظام المعالجة والدرجة؟

يؤدي قراران في صياغة التركيبة إلى تثبيت ما يقرب من 80% من نطاق الخصائص قبل أن تقوم الأدوات بقطع الفولاذ:

إذا لم يُحدد نظام المعالجة في أمر الشراء، فإن النظام الافتراضي هو بيروكسيد الهيدروجين الحراري - وهو أرخص، ولكنه يُخلّف نواتج معالجة متبقية تؤثر على الطعم والرائحة وثبات اللون. بالنسبة لأي منتج يلامس الجلد، أو منتجات الأطفال، أو المنتجات الطبية، يُرجى تحديد السعر. علاج البلاتين في الكتابة. يرى مقارنة بين مطاط السيليكون السائل (LSR) ومطاط السيليكون الحراري (HTV)., المعالجة مقابل الفلكنة في السيليكون، و عملية الفلكنة بالسيليكون: أخطاء المهندسين.

8. بحث سريع - جميع العقارات في لمحة

مخطط رادار لخصائص السيليكون يقارن بين السيليكون، وEPDM، والمطاط الطبيعي، وPVC، والفلوروسيليكون من حيث الصلابة، ونطاق درجة الحرارة، والعزل الكهربائي، والمقاومة الكيميائية، والتكلفة

التعليمات

ما لا يغطيه هذا الركن

هذا مرجعٌ للملكية، وليس دليلًا لتحديد المصادر. ثلاثة حدود يجب مراعاتها قبل اعتبار أي رقم أعلاه ثابتًا:

1. تعتمد أرقام الخصائص على التركيبة. يختلف نطاق كل مواصفات بمقدار ±20% تبعًا للدرجة، وكمية الحشو، ونظام المعالجة. اطلب دائمًا البيانات الفنية الفعلية للمورد للدرجة المحددة المذكورة.
2. طريقة الاختبار أهم من العدد. لا تُعادل قيمة صلابة قطعة من نوع Shore A 50 عند قياسها بفترة توقف ثانية واحدة قيمة صلابة قطعة أخرى عند قياسها بفترة توقف 15 ثانية. سيُنتج معيار ASTM D2240 قيمًا مختلفة لنفس القطعة مقارنةً بمعيار ISO 48-4. لذا، يُرجى تثبيت طريقة القياس في ورقة المواصفات.
3. تنتهي صلاحية وثائق الامتثال. شهادات اختبار إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) ومعايير LFGB وUSP صالحة لدفعة محددة من المواد الخام، وليست صالحة للمنتج النهائي إلى أجل غير مسمى. يجب إعادة الاختبار عند تغيير درجة الجودة أو المورد أو الصبغة.

قبل إرسال استفسار إلى أي مصنع للسيليكون، حدد خمسة مدخلات:

• درجة حرارة التشغيل المستمرة (وليست درجة الحرارة القصوى)
• هدف شور أ مع طريقة اختبار معلنة
• نطاق الامتثال - أي معيار، وأي طريقة اتصال
• نظام المعالجة - البلاتين أو البيروكسيد
• فئة التسامح - استهلاكية، صناعية، أو طبية

بدون هذه العناصر الخمسة، فإن أي عرض سعر تتلقاه هو مجرد تخمين، وأي بند من بنود ضريبة الدخل المقتطعة غير قابل للتحقق.

يقع هذا الركن بجوار مرجع أوسع. إذا كنت ترغب في الحصول على الصورة الكاملة - ما هو السيليكون فعليًا على المستوى الكيميائي، وكيف يتم تصنيعه، وأين يقع ضمن عائلة المطاط الصناعي - فاقرأ دليل شامل لمواد السيليكون. استخدم ذلك كسياق المصدر؛ واستخدم هذه الصفحة كبحث عن الخاصية.