نفاذية السيليكون: كيف تمر الغازات والأبخرة عبر مطاط السيليكون

يمكن لمانع تسرب السيليكون أن يمنع تسرب الماء السائل مع السماح بمرور الأكسجين أو ثاني أكسيد الكربون أو بخار الماء عبره. هذا التناقض الظاهري يتسبب في أخطاء في مواصفات الأغلفة والأغشية المحكمة الإغلاق., أنابيب السيليكون, والمنتجات الحساسة للضغط.

تتميز مادة السيليكون بنفاذية عالية نسبيًا لأن جزيئات الغاز تذوب في المطاط وتنتشر عبر الفراغات بين سلاسل السيلوكسان المتحركة. وهي مقاومة للسوائل، لكنها لا تشكل حاجزًا للغازات أو الأبخرة تلقائيًا.

تشرح هذه المقالة سلوك المادة، والمتغيرات التي تغير النقل، والحدود التي يجب على المهندسين تحديدها قبل اختيار مركب السيليكون.

ما هي نفاذية السيليكون؟

نفاذية السيليكون هي معدل مرور غاز أو بخار معين عبر السيليكون في ظل ظروف محددة. وهي خاصية للمادة ككل. وهي تختلف عن التسرب عبر فجوة أو خط فاصل أو مانع تسرب تالف أو ضغط غير كافٍ. حلقة دائرية من السيليكون.

تحدث عملية النفاذية على ثلاث مراحل:

1. يذوب الغاز في الجانب ذي الضغط العالي من السيليكون.
2. تنتشر الجزيئات عبر الفراغات الموجودة في شبكة البوليمر.
3. يغادر الغاز سطح الضغط المنخفض.

بالنسبة لغشاء متجانس في حالة الاستقرار، يمكن تبسيط العلاقة على النحو التالي:

معدل تدفق الغاز يتناسب طرديًا مع النفاذية × المساحة × فرق الضغط ÷ السماكة

تفصل هذه المعادلة بين مصطلحين غالباً ما يتم خلطهما معاً:

لا يُثبت انخفاض معدل تسرب الغاز المقاس داخل الحاوية أن نفاذية الغاز على المدى الطويل ضئيلة. فاختبار التسرب واختبار النفاذية يُجيبان على أسئلة مختلفة.

لماذا يتميز مطاط السيليكون بنفاذية عالية؟

مطاط السيليكون يتمتع بمرونة –Si–O–Si– يتميز هذا المركب بهيكل أساسي متين، وقوى تجاذب بين جزيئية منخفضة، وحركة عالية للسلسلة. هذه الخصائص تخلق حجمًا حرًا مؤقتًا أكبر مما هو موجود في العديد من المطاطات الهيدروكربونية واللدائن الحرارية. يمكن لجزيئات الغاز أن تنتقل من فتحة مؤقتة إلى أخرى.

النفاذية هي نتاج تفاعلين ماديين:

P = D × S

• P هي النفاذية.
• د هو معامل الانتشار.
• S هي قابلية ذوبان الغاز في البوليمر.

يؤثر حجم الجزيئات على الانتشار، لكن الحجم وحده لا يحدد النتيجة. قد يكون لذوبان الغاز في البوليمر دورٌ حاسم. على سبيل المثال، يستطيع ثاني أكسيد الكربون النفاذ عبر ثنائي ميثيل السيليكون أسرع من الغازات الأصغر حجمًا لأنه أكثر ذوبانًا في البوليمر.

توضح البيانات المرجعية المنشورة لثنائي ميثيل السيليكون الفرق. تختلف القيم باختلاف التركيبة وظروف الاختبار، لذا فإن الجدول مفيد للمقارنة النسبية - وليس كمواصفات للمنتج النهائي.

مصدر: دبليو إل روب،, أغشية السيليكون الرقيقة - خصائص نفاذيتها وبعض تطبيقاتها, حوليات أكاديمية نيويورك للعلوم (1968).

النقطة العملية بسيطة: "السيليكون المحكم الإغلاق ضد الغازات" ليس شرطاً كاملاً. يجب تحديد نوع الغاز.

هل السيليكون مقاوم للماء ولكنه منفذ للغاز؟

نعم، ولكن فقط إذا كان المقصود بـ "مقاومة الماء" هو مقاومة اختراق السوائل بكميات كبيرة تحت ظروف الضغط والتجميع المحددة. فالماء السائل لا يتدفق عبر السيليكون السليم بنفس الطريقة التي يتخلل بها الغاز شبكة البوليمر.

نفاذية بخار الماء الأمر مختلف. يمكن لجزيئات البخار الفردية أن تذوب وتنتشر عبر السيليكون. ورقة مطاط السيليكون وبالتالي، قد يمنع المطر أو تناثر السوائل مع السماح بانتقال بخار الرطوبة بمرور الوقت.

هذا التمييز مهم في:

• الأجهزة الإلكترونية المغلقة المعرضة لدورات الرطوبة؛;
• رقع قابلة للارتداء تحتاج إلى إدارة الرطوبة؛;
• الأغشية الطبية والمخبرية؛;
• أغطية الأغذية أو الأدوية التي تتطلب حاجزًا محددًا لبخار الماء؛;
• المساكن الخارجية حيث يكون التكثيف الداخلي هو الخطر الحقيقي.

لا تستخدم نتائج اختبار غمر الماء كبديل لبيانات انتقال بخار الماء. فهما يقيسان آليات نقل مختلفة.

ما هي الغازات التي تخترق السيليكون بأسرع وقت؟

يُظهر ثاني أكسيد الكربون عادةً معدل نفاذية أعلى عبر طبقة VMQ مقارنةً بالأكسجين والنيتروجين والهيليوم والهيدروجين في ظل ظروف مماثلة. يعتمد هذا الترتيب على المركب ودرجة الحرارة، لكن الفرق كبير بما يكفي للتأثير على قرارات التصميم.

بحث حول بنية غشاء السيليكون تُظهر النتائج أن البدائل العضوية على طول سلسلة البوليمر يمكن أن تُغير بشكل ملحوظ نفاذية الأكسجين والنيتروجين. وبشكل عام، تُقلل مجموعات الألكيل والأريل والتريفلوروبروبيل الأكبر حجمًا من النفاذية مقارنةً بثنائي ميثيل السيليكون، على الرغم من أن النتيجة تظل مرتبطة بنوع الغاز والتركيبة.

تُظهر المقارنة لماذا يُعدّ مصطلح "السيليكون" فضفاضًا جدًا بالنسبة للرسم الفني. لا تُوفّر مركبات VMQ وPVMQ وFVMQ نفس خصائص الحماية، ولا يُمكن للتصنيفات النوعية أن تُغني عن بيانات الاختبارات الخاصة بكل مُركّب.

ما الذي يغير نفاذية السيليكون؟

أهم العوامل المؤثرة هي نوع الغاز، والتركيب الكيميائي للسيليكون، ودرجة الحرارة، والسماكة، والمساحة المعرضة، وفرق الضغط الجزئي. كما أن تركيبة المركب ومعالجة السطح قد تؤثران أيضًا، ولكن يجب التحقق من تأثيرهما على المادة نفسها. للاطلاع على نطاق أوسع للخصائص الميكانيكية والحرارية والكهربائية والكيميائية، راجع هذا الدليل الشامل. خصائص مطاط السيليكون.

هل تؤدي صلابة الشاطئ العالية إلى تقليل النفاذية؟

ليس بشكل موثوق. قد يحتوي المركب الأكثر صلابة على مستويات مختلفة من الحشو أو بنية شبكية مختلفة، ولكن صلابة الشاطئ أ لا يحدد بشكل مباشر نقل الغاز.

هذا خطأ شائع في الاختيار. تقارن الفرق بين ألواح 40 شور A و70 شور A، وتفترض أن النوع الأكثر صلابة هو بالضرورة الأفضل في منع تسرب الغاز. تشير الدراسات المنشورة حول مطاط السيليكون وPDMS غير المعالج إلى أن التغيرات الطبيعية في كثافة التشابك قد يكون لها تأثير ضئيل مقارنةً بالتركيب الكيميائي للبوليمر، وذوبان الغاز، ودرجة الحرارة، والمواد المالئة.

إذا كانت النفاذية مهمة، فاطلب بيانات النفاذية أو النقل للمركب المحدد. لا تستنتجها من الصلابة أو قوة الشد أو الانضغاط الدائم.

هل تزيد درجة الحرارة من نفاذية السيليكون؟

عموماً، نعم. فارتفاع درجة الحرارة يزيد من حركة سلاسل البوليمر وانتشار الغاز. أما انخفاض درجة الحرارة فيقلل من الحجم الحر والحركة الجزيئية، على الرغم من أن التحولات الطورية وذوبان الغاز قد يعقدان هذا الاتجاه.

لذا، تُعدّ قيمة درجة حرارة الغرفة دليلاً ضعيفاً على فعالية مانع التسرب عند درجة حرارة 150 درجة مئوية. قد يحتفظ الجزء بخصائصه الميكانيكية حتى مع نقله كمية غاز أكبر بكثير من المتوقع. وتُعتبر سلامة المادة وأداء الحاجز متطلبات منفصلة.

هل يمنع جدار السيليكون السميك النفاذية؟

يؤدي زيادة سمك الجدار إلى تقليل معدل النفاذية، لكنه لا يحوّل السيليكون إلى مادة عازلة حقيقية. في ظل ظروف الاستقرار، يؤدي مضاعفة سمك الجدار إلى خفض التدفق إلى النصف تقريبًا عندما تبقى المادة والغاز والمساحة ودرجة الحرارة وفرق الضغط ثابتة.

يؤدي ازدياد السماكة أيضًا إلى زيادة الوقت اللازم للوصول إلى حالة التدفق المستقر. وهذا قد يجعل اختبارًا قصيرًا يبدو أفضل من الخدمة طويلة الأمد. بالنسبة للتخزين، أو الاحتفاظ بالفراغ، أو تثبيت الضغط لعدة أيام، يجب أن تكون مدة الاختبار طويلة بما يكفي لفصل الانتشار العابر عن سلوك حالة التدفق المستقر.

كيف تتم مقارنة VMQ و PVMQ و FVMQ؟

ال عائلة بوليمرات السيليكون يُغير ذلك من النفاذية والخصائص الأخرى التي بررت اختيار السيليكون.

إذا كانت النفاذية المنخفضة هي الشرط الأساسي، فقد يكون تغيير هندسة جزء VMQ أقل فعالية من تغيير البوليمر أو إضافة طبقة عازلة. أما إذا كانت المرونة القصوى في درجات الحرارة هي الشرط الأساسي، فقد يكون استخدام PVMQ معدل أو هيكل مركب حلاً وسطاً أفضل.

متى تكون نفاذية السيليكون العالية مفيدة؟

تعتبر النفاذية العالية مفيدة عندما يكون تبادل الغازات المتحكم فيه جزءًا من الوظيفة وليس عيبًا.

وتشمل الأمثلة أغشية الأكسجة، وأجهزة زراعة الخلايا الميكروفلويدية، وأبحاث فصل الغازات، والمكونات الطبية القابلة للتنفس، ومعادلة الضغط، وبعض الواجهات القابلة للارتداء. أغشية PDMS رقيقة يمكن أن يسمح بتبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون أثناء احتواء الوسط السائل.

لا يزال التصميم بحاجة إلى تحديد نطاق نفاذية واضح. فمصطلح "قابل للتنفس" ليس مواصفة قابلة للقياس. يجب أن يوضح الرسم أو خطة التحقق نوع الغاز، ودرجة الحرارة، وفرق الضغط، والمساحة الفعالة، والسماكة، ونطاق التدفق المقبول.

تتطلب معالجة الأسطح أيضًا تحكمًا دقيقًا. فقد أظهرت الأبحاث التي أُجريت على مادة PDMS المعالجة ببلازما الأكسجين أن السطح المؤكسد الشبيه بالسيليكا يُقلل في البداية من انتشار الأكسجين - أحيانًا بأكثر من 50% - ولكن مادة PDMS القياسية بنسبة 10:1 المخزنة في الهواء تستعيد معدل الانتشار الأصلي المُلاحظ بعد حوالي ثلاثة أيام. أما التخزين تحت الماء فيؤخر عملية الاستعادة. المصدر: تباين انتشار الغازات عبر مادة PDMS.

قد لا يوفر العلاج الذي يغير النفاذية في اليوم الأول نفس النتيجة بعد التخزين أو الاستخدام المتكرر.

متى يكون السيليكون مادة غير مناسبة كحاجز للغاز؟

يُعدّ السيليكون خيارًا غير مناسب عندما تكون الوظيفة الأساسية هي الاحتفاظ بالغاز، أو الحفاظ على الفراغ، أو منع الأكسدة، أو الحدّ من دخول الأبخرة على المدى الطويل. تشمل حالات الخطر النموذجية ما يلي:

• أكياس هوائية يُتوقع أن تحتفظ بالضغط لفترات طويلة؛;
• مانعات التسرب الفراغية حيث يهيمن النفاذ بعد التحكم في التسرب الخارجي؛;
• تغليف حساس للأكسجين؛;
• احتواء غاز التبريد أو الغازات المتخصصة؛;
• أجهزة استشعار محكمة الإغلاق ذات حدود صارمة لانحراف الرطوبة؛;
• أغشية رقيقة معرضة لفرق ضغط مستمر.

في هذه التطبيقات، قارن أولاً بين مطاط البوتيل، والبوليمرات الفلورية، والحواجز المعدنية، والأقمشة المطلية، أو الهياكل متعددة الطبقات. قد يظل السيليكون ضروريًا لأسباب تتعلق بدرجة الحرارة، والمرونة، والتوافق الحيوي، أو التصنيع، ولكن يجب حينها التغلب على ضعف حاجزه.

كيف ينبغي اختبار نفاذية السيليكون؟

استخدم طريقة تُبلغ عن الخاصية المطلوبة في التصميم. ASTM D1434-23 يستخدم طريقة قياس الضغط لتحديد معدل انتقال الغاز، والنفاذية، وعند الاقتضاء، نفاذية الأغشية والصفائح. ISO 15105-1:2007 يغطي اختبار الضغط التفاضلي للأغشية والصفائح البلاستيكية؛ وتدرج المنظمة الدولية للمقاييس (ISO) هذه الطبعة على أنها محدثة ولكنها قيد المراجعة اعتبارًا من عام 2026.

ينبغي أن تتضمن مواصفات الاختبار القابلة للاستخدام ما يلي:

• التركيب الدقيق وحالة العلاج؛;
• سمك العينة والمساحة المعرضة؛;
• الغاز المستهدف أو خليط الغاز المحدد؛;
• الضغط والضغط الجزئي على كلا الجانبين؛;
• درجة الحرارة والرطوبة النسبية؛;
• تاريخ التكييف وما بعد العلاج؛;
• معالجة السطح ووقت التقادم؛;
• مدة الاختبار ومعيار الحالة المستقرة؛;
• الوحدات المطلوبة وحدود القبول.

هل نختبر المادة أم المنتج النهائي؟

اختبر كلا النوعين عندما يكون التطبيق بالغ الأهمية. يعزل اختبار نفاذية الصفائح المسطحة سلوك المادة الأساسية. أما اختبار انخفاض الضغط أو الغاز المتتبع أو الرطوبة على التجميع النهائي فيرصد الوصلات والضغط والترابط وخطوط الفصل والهندسة الحقيقية.

لا ينبغي استبدال النتيجتين ببعضهما البعض:

لضمان جودة الإنتاج، لا يكفي فحص الأبعاد واختبار صلابة شور عندما يكون نفاذ الغاز خاصية بالغة الأهمية. قد يتطلب الأمر شهادة مركبة، وعملية معالجة مضبوطة، وتحقق دوري من نفاذ الغاز.

ما هي المعلومات المطلوبة قبل تحديد نوع السيليكون؟

لا يمكن اختيار المادة من كلمة "سيليكون" وحدها. حدد مشكلة النقل أولاً:

• أي غاز أو بخار يجب أن يمر - أو يجب منعه؟
• ما هو معدل الإرسال المسموح به؟
• ما هي درجة حرارة التشغيل وفرق الضغط؟
• ما هي مساحة السطح المعرضة للضوء؟
• ما هو الحد الأدنى لسمك الجدار أو الغشاء؟
• هل يتم قياس المتطلبات بعد المعالجة اللاحقة، أو المعالجة بالبلازما، أو التعقيم، أو التقادم؟
• ما هي المتطلبات الميكانيكية والكيميائية والتنظيمية التي تمنع استخدام مادة ذات نفاذية منخفضة؟

إذا كانت هذه المدخلات مفقودة، فإن قيمة نفاذية البيانات العامة تصبح ضئيلة. فقد تصف غازًا مختلفًا، أو سُمكًا مختلفًا، أو نظام وحدات مختلفًا، أو حالة معالجة مختلفة، أو درجة حرارة مختلفة. إن القرار الصحيح ليس ما إذا كان السيليكون "نفاذًا" أم لا، بل ما إذا كانت النفاذية المقاسة للمركب والشكل الهندسي المحددين تبقى ضمن حدود المنتج في ظل ظروف التشغيل.