Un sello de silicona puede detener el agua líquida y aún así permitir que el oxígeno, el dióxido de carbono o el vapor de agua pasen a través de su masa. Esa aparente contradicción causa errores de especificación en carcasas selladas, membranas, tubo de silicona, y productos sensibles a la presión.
La permeabilidad de la silicona es relativamente alta debido a que las moléculas de gas se disuelven en el elastómero y se difunden a través del volumen libre entre sus cadenas de siloxano móviles. Es resistente a los líquidos, pero no constituye automáticamente una barrera contra gases o vapores.
Este artículo explica el comportamiento del material, las variables que modifican la transmisión y los límites que los ingenieros deben definir antes de seleccionar un compuesto de silicona.
¿Qué es la permeabilidad de la silicona?
La permeabilidad de la silicona es la velocidad a la que un gas o vapor específico pasa a través de la silicona bajo condiciones definidas. Es una propiedad del material en masa. No es lo mismo que una fuga a través de un hueco, una línea de separación, un sello dañado o una compresión deficiente. junta tórica de silicona.
La permeación se produce en tres etapas:
- El gas se disuelve en el lado de alta presión de la silicona.
- Las moléculas se difunden a través del volumen libre en la red polimérica.
- El gas abandona la superficie de baja presión.
Para una membrana homogénea en estado estacionario, la relación se puede simplificar como:
Flujo de gas ∝ permeabilidad × área × diferencia de presión ÷ espesor
Esta ecuación separa dos términos que a menudo se mezclan:
| Término | Lo que describe | ¿Influye la geometría en ello? |
|---|---|---|
| Permeabilidad | Una propiedad intrínseca de un material, gas y temperatura definidos. | No, cuando está correctamente normalizado. |
| Permeabilidad | Permeabilidad dividida por el espesor de la membrana | Sí |
| Tasa de transmisión de gas | Volumen de gas que pasa a través de una muestra definida a lo largo del tiempo. | Sí, el área y el grosor importan. |
| Tasa de fuga | Flujo a través de una abertura, interfaz o defecto de sellado | Controlado principalmente por el diseño del sello y los defectos. |
Una baja tasa de fuga medida en un recinto no demuestra que la permeación de gases a largo plazo sea insignificante. Las pruebas de fugas y las pruebas de permeabilidad responden a preguntas diferentes.
¿Por qué el caucho de silicona es altamente permeable?
Caucho de silicona tiene una flexibilidad –Si–O–Si– Estructura principal, bajas fuerzas intermoleculares y alta movilidad de la cadena. Estas características generan un mayor volumen libre transitorio que el presente en muchos cauchos de hidrocarburos y termoplásticos. Las moléculas de gas pueden moverse de una abertura temporal a otra.
La permeabilidad es el producto de dos interacciones materiales:
P = D × S
Pes la permeabilidad.Des el coeficiente de difusión.Ses la solubilidad del gas en el polímero.
El tamaño molecular afecta la difusión, pero el tamaño por sí solo no determina el resultado. La solubilidad gas-polímero puede ser determinante. El dióxido de carbono, por ejemplo, puede permear la dimetilsilicona más rápidamente que gases más pequeños porque es sustancialmente más soluble en el polímero.
Los datos de referencia publicados sobre la dimetilsilicona ilustran la diferencia. Los valores varían según la formulación y las condiciones de prueba, por lo que la tabla resulta útil para una comparación relativa, no como especificación de la pieza terminada.
| Gas | Permeabilidad × 10⁹ cm³·cm/(s·cm²·cmHg) | Difusividad × 10⁶ cm²/s | Solubilidad, cm³(STP)/(cm³·atm) |
|---|---|---|---|
| Nitrógeno | 28 | 15 | 0.15 |
| Helio | 35 | 60 | 0.045 |
| Oxígeno | 62 | 16 | 0.31 |
| Hidrógeno | 65 | 43 | 0.12 |
| Metano | 95 | 13 | 0.57 |
| Dióxido de carbono | 323 | 11 | 2.2 |
Fuente: WL Robb, Membranas delgadas de silicona: sus propiedades de permeación y algunas aplicaciones., Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York (1968).
En la práctica, la cuestión es sencilla: el uso de silicona hermética a los gases no es un requisito indispensable. Es necesario especificar el tipo de gas.
¿La silicona es impermeable pero permeable a los gases?
Sí, pero solo si por "impermeable" se entiende resistencia a la penetración de líquidos en grandes cantidades bajo las condiciones de presión y montaje especificadas. El agua líquida no fluye a través de la silicona intacta del mismo modo que un gas se filtra a través de la red polimérica.
Permeabilidad al vapor de agua es diferente. Las moléculas de vapor individuales pueden disolverse y difundirse a través de la silicona. lámina de caucho de silicona Por lo tanto, puede bloquear la lluvia o las salpicaduras de líquidos, al tiempo que permite la transmisión de vapor de humedad con el tiempo.
Esta distinción es importante en:
- componentes electrónicos sellados expuestos a ciclos de humedad;
- parches portátiles que requieren control de la humedad;
- membranas médicas y de laboratorio;
- cierres de envases para alimentos o productos farmacéuticos que requieren una barrera de vapor de agua definida;
- Carcasas exteriores donde la condensación interna es el riesgo real.
No utilice el resultado de una prueba de inmersión en agua como sustituto de los datos de transmisión de vapor de agua. Miden mecanismos de transporte diferentes.
¿Qué gases penetran más rápidamente en la silicona?
El dióxido de carbono suele presentar una tasa de transmisión a través del VMQ superior a la del oxígeno, el nitrógeno, el helio o el hidrógeno en condiciones comparables. La secuencia depende del compuesto y de la temperatura, pero la diferencia es lo suficientemente significativa como para influir en las decisiones de diseño.
Investigación sobre la estructura de las membranas de silicona Esto demuestra que los sustituyentes orgánicos a lo largo de la cadena polimérica pueden modificar sustancialmente la permeabilidad al oxígeno y al nitrógeno. Los grupos alquilo, arilo y trifluoropropilo de mayor tamaño generalmente reducen la permeabilidad en comparación con la dimetil silicona, aunque el resultado depende del gas y de la formulación.
| Tipo de silicona | Tendencia de permeabilidad relativa | Razón estructural |
|---|---|---|
| VMQ | Generalmente alto | La estructura del dimetilsiloxano conserva una alta movilidad de la cadena y un volumen libre considerable. |
| PVMQ | A menudo, valores inferiores a los VMQ comparables para gases específicos. | Los sustituyentes fenilo modifican el empaquetamiento de la cadena, la solubilidad y la difusión. |
| FVMQ | Generalmente inferior a VMQ de propósito general | Los grupos laterales fluorados aumentan la polaridad y alteran la solubilidad de los gases. |
La comparación demuestra por qué el término "silicona" es demasiado amplio para un dibujo técnico. VMQ, PVMQ y FVMQ no proporcionan el mismo comportamiento de barrera, y las clasificaciones cualitativas no pueden reemplazar los datos de prueba específicos de cada compuesto.
¿Qué factores modifican la permeabilidad de la silicona?
Los principales factores de control son el tipo de gas, la química de la silicona, la temperatura, el espesor, el área expuesta y la diferencia de presión parcial. La formulación del compuesto y el tratamiento de la superficie también pueden ser importantes, pero su efecto debe verificarse en el material real. Para conocer el rango más amplio de propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y químicas, consulte esta guía completa. Propiedades del caucho de silicona.
| Variable | Efecto sobre la permeabilidad o la transmisión total | Implicación de la especificación |
|---|---|---|
| especies de gases | Altera tanto la solubilidad como la difusión. | Pruebe el gas o la mezcla de gases en sí. |
| Familia de silicona | Las formulaciones FVMQ y modificadas pueden transmitir menos gas que las formulaciones VMQ de uso general. | Especifique la familia y el grado del polímero. |
| Temperatura | Generalmente, una temperatura más alta aumenta la movilidad y la transmisión de la cadena. | Realizar la prueba a la temperatura mínima y máxima de servicio. |
| Espesor | No altera la permeabilidad intrínseca; un mayor espesor reduce el flujo total. | Controlar el espesor mínimo acabado |
| Área expuesta | No modifica la permeabilidad intrínseca; una mayor superficie aumenta el flujo total. | Utilice el área expuesta efectiva en los cálculos. |
| Diferencia de presión parcial | Una mayor diferencia aumenta el flujo de gas. | Defina la composición del gas y la presión en ambos lados. |
| Rellenos | Puede aumentar la tortuosidad de la trayectoria y reducir la difusión. | No asuma que dos compuestos con la misma dureza se comportan igual. |
| Tratamiento de superficies | Una superficie oxidada similar a la sílice puede reducir temporalmente la difusión de oxígeno. | Definir el tratamiento, el envejecimiento y las condiciones de almacenamiento. |
| Densidad de reticulación | A menudo tiene menos efecto del esperado dentro de los rangos normales de formulación de silicona. | No utilice la dureza Shore como indicador de permeabilidad. |
¿Una mayor dureza Shore reduce la permeabilidad?
No de forma fiable. Un compuesto más duro puede contener diferentes niveles de relleno o una estructura de red diferente, pero Dureza Shore A no especifica directamente la transmisión de gas.
Este es un error de selección común. Los equipos comparan láminas de 40 Shore A y 70 Shore A y asumen que la de mayor dureza ofrece automáticamente una mejor barrera contra los gases. Estudios publicados sobre caucho de silicona y PDMS sin tratar indican que los cambios normales en la densidad de reticulación pueden tener poco efecto en comparación con la química del polímero, la solubilidad de los gases, la temperatura y los rellenos.
Si la permeabilidad es relevante, solicite datos de permeabilidad o transmisión para el compuesto exacto. No la infiera a partir de la dureza, la resistencia a la tracción o la deformación permanente por compresión.
¿Aumenta la temperatura la permeabilidad de la silicona?
En general, sí. Las temperaturas más altas aumentan la movilidad de las cadenas poliméricas y la difusividad de los gases. Las temperaturas más bajas reducen el volumen libre y el movimiento molecular, aunque las transiciones de fase y la solubilidad de los gases pueden complicar esta tendencia.
Por lo tanto, un valor a temperatura ambiente constituye una prueba débil de que un sello funcione a 150 °C. La pieza aún puede conservar sus propiedades mecánicas, aunque transmita una cantidad de gas considerablemente mayor de la esperada. La durabilidad del material y el rendimiento de la barrera son requisitos independientes.
¿Una pared de silicona más gruesa impide la permeación?
Una pared más gruesa reduce la tasa de transmisión, pero no convierte la silicona en un verdadero material de barrera. En condiciones de estado estacionario, duplicar el espesor reduce aproximadamente a la mitad el flujo cuando el material, el gas, el área, la temperatura y la diferencia de presión permanecen constantes.
El grosor también aumenta el tiempo necesario para alcanzar un flujo estable. Esto puede hacer que una prueba corta parezca mejor que un servicio a largo plazo. Para el almacenamiento, la retención al vacío o el mantenimiento de la presión durante varios días, la duración de la prueba debe ser lo suficientemente larga como para diferenciar la difusión transitoria del comportamiento en estado estacionario.
¿Cómo se comparan VMQ, PVMQ y FVMQ?
El Familia de polímeros de silicona modifica tanto la permeabilidad como las demás propiedades que justificaron la elección de la silicona.
| Material | Tendencia de permeabilidad | Razón principal para seleccionarlo | Límite a comprobar |
|---|---|---|---|
| VMQ | Alto | Resistencia general al calor, flexibilidad, aislamiento eléctrico y amplia disponibilidad de procesamiento. | Una opción poco acertada cuando la retención de gases es la función principal. |
| PVMQ | Inferior a algunos grados VMQ, pero aún permeable. | Flexibilidad a bajas temperaturas; los grupos fenilo suprimen la cristalización. | El rendimiento de la barrera sigue dependiendo de la formulación. |
| FVMQ | Generalmente inferior a VMQ o PVMQ. | Mayor resistencia a combustibles, aceites y disolventes con menor transmisión de gases. | El costo, el comportamiento a bajas temperaturas y las propiedades mecánicas difieren de VMQ. |
| caucho butílico | Permeabilidad a los gases mucho menor que la del silicio. | Retención de gases, vejigas, revestimientos internos | Menor capacidad a altas temperaturas y diferentes límites químicos. |
| Laminado de ingeniería | Puede proporcionar una ruta de transmisión mucho más baja | Aplicaciones que requieren superficies de silicona y buen rendimiento como barrera. | Unión, fatiga por flexión, bordes, poros y complejidad del proceso. |
Si la baja permeabilidad es el requisito principal, modificar la geometría de una pieza de VMQ puede ser menos eficaz que cambiar el polímero o añadir una capa de barrera. Si la flexibilidad a temperaturas extremas es el requisito principal, una construcción de PVMQ modificado o de material compuesto puede ser una mejor solución.
¿Cuándo resulta útil una alta permeabilidad al silicio?
La alta permeabilidad resulta útil cuando el intercambio gaseoso controlado forma parte de la función y no constituye un defecto.
Algunos ejemplos son las membranas de oxigenación, los dispositivos microfluídicos para el cultivo de células, la investigación sobre la separación de gases, los componentes médicos transpirables, la ecualización de la presión y algunas interfaces portátiles. Membranas delgadas de PDMS Puede permitir el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono mientras contiene un medio líquido.
El diseño aún requiere una ventana de transmisión definida. La transpirabilidad no es una especificación medible. El plano o plan de validación debe indicar el gas, la temperatura, la diferencia de presión, el área activa, el espesor y el rango de flujo aceptable.
El procesamiento de superficies también requiere control. La investigación sobre PDMS tratado con plasma de oxígeno reveló que la superficie oxidada similar a la sílice inicialmente redujo la difusión de oxígeno —a veces en más de 50%—, pero el PDMS estándar 10:1 almacenado al aire recuperó su tasa de difusión original observada después de aproximadamente tres días. El almacenamiento bajo agua retrasó la recuperación. Fuente: Variación en la difusión de gases a través de PDMS.
Un tratamiento que modifica la permeabilidad el primer día puede no proporcionar el mismo resultado tras el almacenamiento o el uso repetido.
¿Cuándo no es apropiado utilizar silicona como material de barrera contra gases?
La silicona es una mala opción por defecto cuando la función principal es retener gas, mantener el vacío, prevenir la oxidación o limitar la entrada de vapor a largo plazo. Los casos de riesgo típicos incluyen:
- Se espera que las vejigas neumáticas mantengan la presión durante largos períodos;
- sellos al vacío donde predomina la permeación después de que se controla la fuga externa;
- envases sensibles al oxígeno;
- contención de refrigerantes o gases especiales;
- Sensores sellados con estrictos límites de variación de la humedad;
- diafragmas delgados expuestos a una diferencia de presión continua.
En estas aplicaciones, primero conviene comparar el caucho butílico, los fluoropolímeros, las barreras metálicas, los tejidos recubiertos o las estructuras multicapa. La silicona puede seguir siendo necesaria por motivos de temperatura, flexibilidad, biocompatibilidad o procesamiento, pero su debilidad como barrera debe superarse mediante ingeniería.
¿Cómo se debe probar la permeabilidad de la silicona?
Utilice un método que informe sobre la propiedad requerida por el diseño. ASTM D1434-23 Utiliza un método manométrico para determinar la tasa de transmisión de gases, la permeabilidad y, cuando corresponda, la permeabilidad de películas y láminas. ISO 15105-1:2007 Abarca las pruebas de presión diferencial para películas y láminas de plástico; la ISO cataloga esta edición como vigente, pero sujeta a revisión a partir de 2026.
Una especificación de prueba útil debe incluir:
- Compuesto exacto y condiciones de curado;
- espesor de la muestra y área expuesta;
- gas objetivo o mezcla de gases definida;
- presión y presión parcial en ambos lados;
- temperatura y humedad relativa;
- historial de acondicionamiento y postratamiento;
- Tratamiento de superficie y tiempo de envejecimiento;
- duración de la prueba y criterio de estado estacionario;
- Unidades requeridas y límite de aceptación.
¿Probar el material o el conjunto terminado?
Realice ambas pruebas cuando la aplicación sea crítica. Una prueba de permeabilidad en lámina plana aísla el comportamiento del material en masa. Una prueba de caída de presión, gas trazador o humedad en el ensamblaje terminado permite evaluar juntas, compresión, unión, líneas de separación y geometría real.
Los dos resultados no deben sustituirse entre sí:
| Nivel de prueba | Lo que revela | Lo que le falta |
|---|---|---|
| Cupón de material | Transmisión intrínseca de compuestos en condiciones controladas | Geometría del sello, juntas, variación del moldeo |
| Pieza moldeada | Efectos del espesor real, el curado y la geometría local. | Interfaces de ensamblaje completo |
| Ensamblaje terminado | Permeación y fuga combinadas en condiciones de uso | Puede que no identifique qué vía causó el resultado |
Para el control de la producción, la inspección dimensional y las pruebas de dureza Shore no son suficientes cuando la transmisión de gas es una característica crítica para la calidad. Puede ser necesario un certificado de composición, un proceso de curado controlado y una validación periódica de la transmisión.
¿Qué información se necesita antes de especificar la silicona?
El material no se puede seleccionar solo con la palabra “silicona”. Primero, defina el problema de transporte:
- ¿Qué gas o vapor debe pasar, o debe ser bloqueado?
- ¿Cuál es la tasa de transmisión permitida?
- ¿Cuáles son la temperatura de funcionamiento y la diferencia de presión?
- ¿Qué superficie queda expuesta?
- ¿Cuál es el espesor mínimo de la pared o membrana?
- ¿El requerimiento se mide después del postcurado, el tratamiento con plasma, la esterilización o el envejecimiento?
- ¿Qué requisitos mecánicos, químicos y normativos impiden el uso de un material de menor permeabilidad?
Si faltan esos datos, un valor de permeabilidad de una ficha técnica genérica tiene poco valor. Puede describir un gas, espesor, sistema de unidades, estado de curado o temperatura diferentes. La clave no está en si la silicona es permeable, sino en si la transmisión medida del compuesto y la geometría exactos se mantiene dentro de los límites del producto en sus condiciones de servicio.
