غالباً ما يوصف السيليكون بأنه خفيف الوزن، ومقاوم للماء، وطارد للماء. ومن السهل الخلط بين هذه المصطلحات. تبلغ الكثافة النموذجية للسيليكون الصلب حوالي 1.05-1.60 غ/سم³، لذا فإن معظم أجزاء السيليكون غير الرغوي تغوص في الماء. تساعد خاصية كراهية الماء على تكوّن قطرات الماء على السطح، لكنها لا تجعل كل تصميم من السيليكون مانعًا للتسرب أو غير منفذ للماء.
بالنسبة لتصميم المنتج، هناك ثلاثة أسئلة منفصلة مهمة: كثافة المركب، ومتوسط كثافة الجزء الكامل، والطريقة التي يتفاعل بها الماء مع السطح وهندسة الختم.
ما هي الكثافة النموذجية للسيليكون؟
كثافة مركب مطاط السيليكون المعالج هي كتلته مقسومة على حجمه. وعادةً ما يتم التعبير عنها بوحدة غرام/سم³ أو كيلوغرام/م³ أو بالوزن النوعي.
بالنسبة للعديد من الصلب مركبات HCR و مركبات LSR, ، نطاق البداية العملي هو 1.05–1.60 جم/سم³. تشير شركة واكر إلى هذا النطاق لمطاط السيليكون، وتلاحظ أن إضافة مواد مالئة غير فعالة مثل الكوارتز يمكن أن ترفع الكثافة إلى حوالي 1.75 جم/سم³. يمكن أن تقع المركبات المتخصصة الفردية خارج هذا النطاق، لذلك تظل ورقة بيانات المواد المعتمدة هي القيمة المتحكمة.
| مادة أو بنية السيليكون | نطاق الكثافة العملي | ميل الماء العذب للطفو | السبب الرئيسي للاختلاف |
|---|---|---|---|
| مطاط سيليكون صلب متعدد الأغراض | 1.05–1.30 جم/سم³ | عادة ما تغرق | بوليمر، سيليكا مقوية، صبغة ومواد مضافة |
| مركب سيليكون عالي التعبئة | 1.30–1.75+ جم/سم³ | أحواض الغسيل | الكوارتز، أو أكسيد المعادن، أو أي مادة مالئة أخرى عالية الكثافة |
| فلوروسيليكون أو مركب متخصص | خاص بالمرحلة الدراسية | عادة ما تغرق | عبوات مختلفة من البوليمر والحشو |
| رغوة السيليكون أو الإسفنج | غالباً ما تكون أقل من 1.0 جم/سم³ | قد تطفو | بنية خلوية مغلقة أو مفتوحة |
| قطعة سيليكون مصبوبة مجوفة | يعتمد على الكتلة الكلية والحجم المزاح | قد تطفو | يؤدي الهواء المحبوس إلى انخفاض متوسط كثافة الجزء |
هذه نطاقات تصميمية، وليست حدودًا للفحص الوارد. لأغراض الشراء ومراقبة الجودة، حدد الكثافة الموضحة في ورقة البيانات الفنية المعتمدة، وحدد طريقة الاختبار.
هل الكثافة والوزن النوعي متماثلان؟
هما مرتبطان ارتباطاً وثيقاً ولكنهما ليسا متطابقين.
كثافة هي الكتلة لكل وحدة حجم. الكثافة النوعية هي نسبة كثافة المادة إلى كثافة الماء عند درجة حرارة محددة. ولأن كثافة الماء قريبة من 1.00 غ/سم³، فإن القيم العددية غالبًا ما تكون متقاربة عند التعبير عن الكثافة بوحدة غ/سم³.
وبالتالي فإن مركب السيليكون الذي تبلغ كثافته 1.20 جم/سم³ له كثافة نوعية قريبة من 1.20 في ظل ظروف الاختبار العادية.
بالنسبة للأجزاء المصنوعة من السيليكون الصلب، تشمل طرق القياس الشائعة ما يلي:
- ASTM D792 لحساب الكثافة والوزن النوعي عن طريق الإزاحة
- طريقة أ من ISO 1183-1 لقياس الغمر
- ASTM D297 الطرق المستخدمة في منتجات ومركبات المطاط
تؤثر الطريقة وحالة العينة ودرجة الحرارة ووجود فقاعات محصورة على النتيجة. وقد يؤدي مقارنة بيانات المورد دون التحقق من الطريقة إلى اختلاف زائف.
هل يطفو السيليكون على الماء؟
معظم مطاط السيليكون الصلب غير الرغوي يغرق لأن كثافته أعلى من كثافة المياه العذبة.
الشرط الأساسي هو:
- إذا كانت كثافة الأجزاء المتوسطة هي أقل من 1.00 جم/سم³, ، يمكن لهذا الجزء أن يطفو في المياه العذبة.
- إذا كانت كثافة الأجزاء المتوسطة هي أعلى من 1.00 جم/سم³, يغرق الجزء ما لم تحبس هندسته كمية كافية من الهواء.
- في الماء المالح، تكون كثافة السائل أعلى، لذا فإن نفس الجزء يتلقى قوة طفو أكبر قليلاً.
تشير تقارير SIMTEC إلى كثافة LSR نموذجية تبلغ 1.10–1.50 جم/سم³ ويشير إلى أن مادة LSR الصلبة تغرق بالتالي. الكلمة المهمة هي صلب. قد تطفو لعبة حمام مجوفة، أو عوامة محكمة الإغلاق، أو مجموعة مصبوبة، حتى عندما يكون غلافها المصنوع من السيليكون أكثر كثافة من الماء.
مثال على السيليكون الصلب
يحتوي المكون المصنوع من السيليكون الصلب على:
- الحجم: 100 سم³
- كثافة المركب: 1.20 جم/سم³
- الكتلة: 100 × 1.20 = 120 غرامًا
عند غمرها بالكامل، فإنها تُزيح حوالي 100 غرام من الماء العذب. وزن الجزء أكبر من وزن الماء المُزاح، لذا فهو يغرق.
مثال على السيليكون المجوف
افترض أن الجزء المغلق يزن 70 غرامًا ويزيح 150 سم³ من الماء بناءً على حجمه الخارجي.
متوسط كثافة الأجزاء = 70 ÷ 150 = 0.47 جم/سم³
يؤدي تجويف الهواء المغلق إلى خفض كثافة المجموعة الكاملة إلى ما دون كثافة الماء، مما يسمح للجزء بالطفو. أما إذا تسرب الهواء إلى التجويف وامتلأ بالماء، فإن هذه الميزة ستختفي.
كم يبلغ وزن قطعة السيليكون؟
استخدم كثافة المركب النهائي، وليس قيمة السيليكون العامة.
الكتلة = الحجم × الكثافة
للحصول على الأبعاد بالملليمترات:
الكتلة (غ) = الحجم (مم³) ÷ 1000 × الكثافة (غ/سم³)
وسادة سيليكون مستطيلة الشكل، أبعادها 100 × 50 × 5 مم، حجمها 25000 مم³، أو 25 سم³. وبكثافة 1.20 جم/سم³، فإن كتلتها التقريبية هي:
25 × 1.20 = 30 غرام
| مدخل | مثال القيمة | مخاطر الشراء في حال تحملها |
|---|---|---|
| الحجم الصافي المصبوب | 25 سم مكعب | قد لا يشمل حجم التصميم بمساعدة الحاسوب الأضلاع أو البوابات أو الحشوات. |
| الكثافة المركبة | 1.20 جم/سم³ | يؤدي استخدام تركيبة بديلة إلى تغيير وزن القطعة |
| الكتلة المقدرة للجزء | 30 غرام | قد تختلف تقديرات التغليف والشحن باختلاف الطلبات الكبيرة |
| كمية الطلب | 100 ألف قطعة | خطأ مقداره 2 غرام يؤدي إلى زيادة قدرها 200 كيلوغرام في الشحنة بأكملها |
تُعدّ هذه الحسابات مفيدةً لتقديرات الأسعار والتغليف. ينبغي تحديد حدود الوزن النهائي للقطعة بناءً على عينات مُعتمدة، لأنّ الزوائد، ووزن الحشوة، والصبغة، وكمية الحشو، واختلافات عملية التشكيل تبقى في القطعة النهائية.
ما الذي يغير كثافة السيليكون؟
تعتمد كثافة السيليكون على التركيبة، ولا يتم التحكم بها من خلال اسم البوليمر وحده.
مواد مالئة مقوية وغير نشطة
تعمل السيليكا المدخنة أو المترسبة على تقوية البوليمر. ويمكن للكوارتز والحشوات المعدنية الأخرى زيادة الكثافة. وقد يستخدم مُصنِّع المركبات الحشوات لضبط الصلابة، وقوة التمزق، والخواص الريولوجية، والسلوك الكهربائي، ومقاومة الانتفاخ، أو التكلفة. صلابة الشاطئ أ وبالتالي يمكن الوصول إليها باستخدام تركيبات مختلفة وكثافات مختلفة.
الأصباغ والمواد المضافة الوظيفية
عادةً ما يُحدث مزيج الألوان الرئيسي تغييراً أقل من تأثير إضافة كميات كبيرة من الحشو، ولكن يمكن قياس هذا التأثير عندما تكون هوامش التفاوت في وزن القطعة ضيقة. ويمكن للمواد المضافة المقاومة للهب، والموصلة للحرارة، والموصلة للكهرباء، أو المعتمة للأشعة أن تُغير الكثافة بشكل كبير.
الهواء والفراغات والبنية الخلوية
يحتوي السيليكون الرغوي على فجوات غازية، وقد تقل كثافته الظاهرية عن 1.00 غ/سم³. كما يمكن أن تقلل الفراغات غير المقصودة من الكثافة المقاسة للعينة، ولكن هذا يُعد مؤشراً على وجود عيب وليس وسيلة فعالة لتقليل الوزن.
المعالجة والتحكم في العملية
عادةً ما يكون لظروف المعالجة تأثير أقل على الكثافة من التركيبة، ولكن أخطاء الخلط، أو نسبة المكونات غير الصحيحة (A:B) في مطاط السيليكون السائل، أو التلوث، أو وجود هواء محبوس، قد تؤثر على القيم المقاسة. لذا، تُعد الكثافة مفيدة كفحص سريع، وليست دليلاً قاطعاً على صحة جميع الخصائص الميكانيكية أو خصائص المرونة.
هل السيليكون كاره للماء؟
السيليكون غير المعالج المصنوع من مادة PDMS بطبيعته كاره للماء لأن مجموعات الميثيل تتجه نحو سطحه ذي الطاقة المنخفضة. يميل الماء إلى التجمع على شكل قطرات بدلاً من الانتشار على السطح. صفيحة سيليكون.
تبلغ زاوية التلامس الشائعة للماء لمادة PDMS غير المعالجة حوالي 100–120 درجة. تختلف القياسات المنشورة باختلاف التركيبة، وخشونة السطح، والنظافة، وطريقة التقطير، والظروف المحيطة. وتشير زاوية التلامس التي تزيد عن 90 درجة عمومًا إلى سلوك ترطيب كاره للماء.
تصف خاصية كراهية الماء تفاعل السطح مع قطرة الماء، لكنها لا تصف السلوك الكامل للمنتج المصبوب.
| ملكية | ما يقيسه | ما لا يثبته |
|---|---|---|
| زاوية تلامس الماء | قابلية سطح التبلل | مقاومة التسرب لمجموعة |
| امتصاص الماء | زيادة الكتلة بعد التعرض المحدد | سلوك التكوّن السطحي للخرز |
| نفاذية بخار الماء | انتقال الرطوبة عبر المواد | مقاومة تسرب الماء السائل عند الوصلة |
| تصنيف IP | حماية الغلاف بموجب اختبار محدد | أداء عالمي في كل ضغط ومدة |
تؤثر معالجة السطح أيضًا على النتيجة. يمكن لمعالجة بلازما الأكسجين أو معالجة الكورونا أن تجعل مادة PDMS أكثر محبة للماء مؤقتًا لتحسين الترابط أو الطلاء أو ترطيب الموائع الدقيقة. بعد ذلك، يمكن لأسطح السيليكون أن تستعيد خاصية كره الماء بمرور الوقت. لذا، ينبغي أن تحدد تجارب الترابط المدة الزمنية المسموح بها بين المعالجة وتطبيق المادة اللاصقة.
هل السيليكون مقاوم للماء؟
بشكل عام، يكون المكون السيليكوني المتصل مقاومًا للماء السائل، لكن "مقاومة الماء" هي ادعاء خاص بالنظام وليست خاصية للمادة الخام.
قد يتسرب الحشية المصبوبة في الحالات التالية:
- الضغط منخفض جدًا أو غير متساوٍ؛;
- يتقاطع خط الفصل مع سطح الختم؛;
- تُشكل الومضات، أو خطوط الحياكة، أو الغبار، أو تلف السطح مسارًا للتسرب؛;
- يؤدي التصلب الناتج عن الضغط إلى تقليل قوة الإحكام مع تكرار دورات التسخين؛;
- ينحرف الغلاف تحت الضغط؛;
- يعتمد تصميم الوصلة على مادة لاصقة لا تبلل السيليكون غير المعالج؛;
- يتم اختبار الغلاف عند ضغط أو مدة خارج حدود تصميمه.
غالباً ما تبالغ الفرق في تقدير خاصية كراهية الماء لأن تكوّن قطرات الماء المرئية يبدو دليلاً على كفاءة منع التسرب. في الإنتاج، يكون مسار التسرب عادةً عند السطح الفاصل، وليس عبر مركز قطعة السيليكون السليمة.
بالنسبة للغلاف، حدد المتطلبات الفعلية: التعرض للرذاذ، أو الغمر المستمر، أو الضغط الهيدروستاتيكي، أو البخار، أو الماء المالح، أو مواد التنظيف الكيميائية، أو اختبار الحماية من دخول الماء والغبار (IP). هذه الشروط غير قابلة للتبادل.
ما مقدار الماء الذي يمتصه السيليكون؟
يتميز مطاط السيليكون عمومًا بانخفاض امتصاص الماء، ولكن لا ينبغي تطبيق قيمة عالمية مثل "أقل من 0.5%" على كل مركب.
تحتوي قواعد البيانات المنشورة على نطاق واسع لأنها تجمع بين المطاط الكثيف، والرغوة، والتركيبات الخاصة، وسماكات العينات المختلفة، وظروف التعرض المختلفة. لذلك، يجب ربط امتصاص الماء بدرجة معينة وطريقة مثل... ASTM D570 أو ISO 62, ، مع تحديد المدة ودرجة الحرارة.
للحصول على المواصفات الحقيقية، يرجى الطلب:
- الدرجة المختبرة وظروف المعالجة؛;
- سُمك العينة؛;
- مدة الغمر ودرجة حرارة الماء؛;
- نسبة التغير في الكتلة؛;
- التغيير البُعدي، إذا كانت التفاوتات الدقيقة مهمة؛;
- الحفاظ على الخصائص الكهربائية أو الميكانيكية بعد المعالجة.
لا يعني انخفاض امتصاص الماء انعدام نفاذية بخار الماء. يتميز السيليكون بنسبة عالية نسبياً من امتصاص الماء. نفاذية الغاز والبخار بالمقارنة مع العديد من المطاطات العضوية الكثيفة. وهذا مفيد للأغشية القابلة للتهوية، ولكنه قد يمثل قيدًا في التغليف العازل للرطوبة أو أغلفة أجهزة الاستشعار.
كيف ينبغي للمشترين تحديد كثافة السيليكون؟
استخدم الكثافة كخاصية واحدة يتم التحكم فيها ضمن مواصفات المواد الكاملة.
| بند المواصفات | المتطلبات العملية |
|---|---|
| درجة المادة | المورد والرمز المركب الدقيق |
| نظام العلاج | البلاتين، أو البيروكسيد، أو نظام خاص بالدرجة |
| الكثافة أو الوزن النوعي | القيمة الاسمية والتفاوت المسموح به من البيانات الفنية المعتمدة |
| طريقة الاختبار | ASTM D792 أو ASTM D297 أو ISO 1183-1 |
| شروط الاختبار | درجة الحرارة، حالة العينة، وحالة المعالجة |
| تفاوت الوزن الجزئي | يتم تعريفها بشكل منفصل عن كثافة المادة |
| متطلبات المياه | اختبار الامتصاص، أو الغمر، أو الضغط، أو نفاذية البخار، أو اختبار IP |
| التحكم في التغيير | لا يجوز استبدال أي تركيبة أو مادة مالئة دون موافقة. |
لا تعتمد على الكثافة وحدها لقبول مركب السيليكون. فقد تتساوى مادتان في الكثافة مع اختلافهما في قوة الشد، ومقاومة التمزق، والتشوه الدائم بعد الانضغاط، ومتطلبات المعالجة اللاحقة، والمواد القابلة للاستخلاص، والوضع التنظيمي.
أسئلة مكررة
هل يطفو السيليكون المستخدم في صناعة الأغذية؟
لا يؤثر وضع المنتج على ملامسته للطعام على قدرته على الطفو. تغوص معظم أجزاء السيليكون الصلبة الملامسة للطعام لأن كثافتها أعلى من 1.00 غ/سم³. أما التصميم المجوف أو المصنوع من الرغوة فقد يطفو.
هل السيليكون أثقل من الماء؟
معظم أنواع مطاط السيليكون الصلب أثقل وزناً لكل وحدة حجم من الماء العذب. تبلغ الكثافة النموذجية للمركب حوالي 1.05-1.60 جم/سم³، بينما تبلغ كثافة الماء العذب حوالي 1.00 جم/سم³.
هل تعني صلابة شور الأعلى كثافة أعلى؟
ليس بالضرورة. تعتمد كل من الصلابة والكثافة على التركيبة، ولكن لا توجد معادلة تحويل عامة بينهما. استخدم بيانات المنتج الفنية لكل قيمة.
حدود التصميم
لحسابات الوزن، يرجى تقديم حجم التصميم النهائي، ووزن الحشوة، وكثافة المركب المعتمدة، وتفاوت وزن القطعة. أما بالنسبة للطفو، فيرجى تقديم كتلة التجميع الكاملة، والحجم الخارجي المزاح، وطريقة إحكام إغلاق التجويف، والسائل المستخدم. وبالنسبة لمقاومة الماء، يرجى تحديد الضغط، والوقت، ودرجة الحرارة، وشكل الوصلة، والاختبار المناسب.
بدون تلك المدخلات، فإن عبارات "السيليكون يطفو" و"السيليكون مقاوم للماء" هي تعميمات مادية وليست مواصفات إنتاجية.
