نفوذپذیری سیلیکون: چگونه گازها و بخارات از لاستیک سیلیکون عبور می‌کنند

یک آب‌بند سیلیکونی می‌تواند آب مایع را متوقف کند و همچنان به اکسیژن، دی‌اکسید کربن یا بخار آب اجازه عبور از حجم خود را بدهد. این تناقض آشکار باعث ایجاد خطاهای مشخصات در محفظه‌های آب‌بندی شده، غشاها،, لوله سیلیکونی, و محصولات حساس به فشار.

نفوذپذیری سیلیکون نسبتاً بالاست زیرا مولکول‌های گاز در الاستومر حل می‌شوند و از طریق حجم آزاد بین زنجیره‌های سیلوکسان متحرک آن پخش می‌شوند. سیلیکون در برابر مایعات مقاوم است، اما به طور خودکار یک مانع گاز یا بخار نیست.

این مقاله رفتار مواد، متغیرهایی که انتقال را تغییر می‌دهند و محدودیت‌هایی که مهندسان باید قبل از انتخاب یک ترکیب سیلیکونی تعریف کنند را توضیح می‌دهد.

نفوذپذیری سیلیکون چیست؟

نفوذپذیری سیلیکون، نرخی است که یک گاز یا بخار خاص تحت شرایط تعریف شده از سیلیکون عبور می‌کند. این یک ویژگی مواد فله‌ای است. این با نشت از طریق شکاف، خط جدایش، آب‌بندی آسیب‌دیده یا فشرده‌سازی ضعیف متفاوت است. حلقه سیلیکونی O.

نفوذ در سه مرحله رخ می‌دهد:

1. گاز در قسمت پرفشار سیلیکون حل می‌شود.
2. مولکول‌ها از طریق حجم آزاد در شبکه پلیمری پخش می‌شوند.
3. گاز از سطح کم فشار خارج می‌شود.

برای یک غشای همگن در حالت پایدار، رابطه را می‌توان به صورت زیر ساده کرد:

جریان گاز ∝ نفوذپذیری × مساحت × اختلاف فشار ÷ ضخامت

این معادله دو اصطلاح را که اغلب با هم اشتباه گرفته می‌شوند، از هم جدا می‌کند:

میزان نشتی اندازه‌گیری شده کم محفظه ثابت نمی‌کند که نفوذ گاز در درازمدت ناچیز است. آزمایش نشتی و آزمایش نفوذپذیری به سؤالات متفاوتی پاسخ می‌دهند.

چرا لاستیک سیلیکونی بسیار نفوذپذیر است؟

لاستیک سیلیکونی انعطاف پذیر دارد –سی–او–سی– ساختار اصلی، نیروهای بین مولکولی کم و تحرک بالای زنجیره. این ویژگی‌ها باعث ایجاد حجم آزاد گذرای بیشتری نسبت به بسیاری از لاستیک‌های هیدروکربنی و ترموپلاستیک‌ها می‌شوند. مولکول‌های گاز می‌توانند از یک روزنه موقت به روزنه موقت دیگر حرکت کنند.

نفوذپذیری محصول برهمکنش دو ماده است:

پ = د × س

• P نفوذپذیری است.
• D ضریب انتشار است.
• S حلالیت گاز در پلیمر است.

اندازه مولکولی بر انتشار تأثیر می‌گذارد، اما اندازه به تنهایی نتیجه را تعیین نمی‌کند. حلالیت گاز-پلیمر می‌تواند غالب باشد. به عنوان مثال، دی اکسید کربن می‌تواند سریعتر از گازهای کوچکتر در دی متیل سیلیکون نفوذ کند زیرا به طور قابل توجهی در پلیمر محلول‌تر است.

داده‌های مرجع منتشر شده برای دی‌متیل سیلیکون تفاوت را نشان می‌دهند. مقادیر بسته به فرمولاسیون و شرایط آزمایش متفاوت هستند، بنابراین جدول برای مقایسه نسبی مفید است - نه به عنوان مشخصات قطعه نهایی.

منبع: دبلیو. ال. راب،, غشاهای سیلیکونی نازک - خواص نفوذپذیری و برخی کاربردهای آنها, سالنامه‌های آکادمی علوم نیویورک (1968).

نکته‌ی کاربردی ساده است: “سیلیکون ضد گاز” یک الزام کامل نیست. گونه‌ی گاز باید نامگذاری شود.

آیا سیلیکون ضد آب است اما در برابر گازها نفوذپذیر است؟

بله، اما فقط در صورتی که “ضد آب” به معنای مقاومت در برابر نفوذ مایعات فله‌ای تحت فشار و شرایط مونتاژ مشخص شده باشد. آب مایع از طریق سیلیکون سالم به همان روشی که گاز از طریق شبکه پلیمری نفوذ می‌کند، جریان نمی‌یابد.

نفوذپذیری بخار آب متفاوت است. مولکول‌های بخار می‌توانند حل شوند و از طریق سیلیکون پخش شوند. ورق لاستیکی سیلیکونی بنابراین ممکن است باران یا پاشش مایع را مسدود کند در حالی که به مرور زمان اجازه انتقال بخار رطوبت را می‌دهد.

این تمایز از این جهت اهمیت دارد که:

• قطعات الکترونیکی مهر و موم شده در معرض چرخه رطوبت؛;
• پچ‌های پوشیدنی که نیاز به مدیریت رطوبت دارند؛;
• غشاهای پزشکی و آزمایشگاهی؛;
• بسته‌بندی‌های مواد غذایی یا دارویی که نیاز به یک مانع مشخص در برابر بخار آب دارند؛;
• محفظه‌های فضای باز که در آنها تراکم داخلی خطر واقعی است.

از نتیجه غوطه‌وری در آب به عنوان جایگزین داده‌های انتقال بخار آب استفاده نکنید. آنها مکانیسم‌های انتقال متفاوتی را اندازه‌گیری می‌کنند.

کدام گازها سریع تر از سیلیکون نفوذ می کنند؟

دی اکسید کربن معمولاً در شرایط مشابه، سرعت عبور بالاتری از VMQ نسبت به اکسیژن، نیتروژن، هلیوم یا هیدروژن نشان می‌دهد. این توالی وابسته به ترکیب و دما است، اما تفاوت به اندازه‌ای زیاد است که بر تصمیمات طراحی تأثیر می‌گذارد.

تحقیق در مورد ساختار غشاء سیلیکونی نشان می‌دهد که جایگزین‌های آلی در امتداد زنجیره پلیمری می‌توانند نفوذپذیری اکسیژن و نیتروژن را به طور قابل توجهی تغییر دهند. گروه‌های آلکیل، آریل و تری‌فلوروپروپیل بزرگتر عموماً نفوذپذیری را نسبت به دی‌متیل سیلیکون کاهش می‌دهند، اگرچه نتیجه همچنان وابسته به گاز و فرمولاسیون است.

این مقایسه نشان می‌دهد که چرا “سیلیکون” برای یک ترسیم فنی بیش از حد کلی است. VMQ، PVMQ و FVMQ رفتار بازدارندگی یکسانی ارائه نمی‌دهند و رتبه‌بندی‌های کیفی نمی‌توانند جایگزین داده‌های آزمایش مختص ترکیب شوند.

چه چیزی نفوذپذیری سیلیکون را تغییر می‌دهد؟

بزرگترین کنترل‌ها نوع گاز، شیمی سیلیکون، دما، ضخامت، مساحت در معرض و اختلاف فشار جزئی هستند. فرمولاسیون ترکیب و عملیات سطحی نیز می‌توانند مهم باشند، اما تأثیر آنها باید بر روی ماده واقعی تأیید شود. برای پوشش گسترده‌تر خواص مکانیکی، حرارتی، الکتریکی و شیمیایی، به این راهنمای کامل مراجعه کنید. خواص لاستیک سیلیکونی.

آیا سختی بالاتر در ساحل، نفوذپذیری را کاهش می‌دهد؟

قابل اعتماد نیست. یک ترکیب سخت‌تر ممکن است حاوی سطوح پرکننده یا ساختار شبکه‌ای متفاوتی باشد، اما سختی شور A مستقیماً انتقال گاز را مشخص نمی‌کند.

این یک خطای رایج در انتخاب است. تیم‌ها ورق‌های 40 Shore A و 70 Shore A را مقایسه می‌کنند و فرض می‌کنند که گرید سخت‌تر به طور خودکار مانع بهتری برای گاز است. کارهای منتشر شده روی لاستیک سیلیکونی و PDMS عمل‌آوری نشده نشان می‌دهد که تغییرات طبیعی در چگالی اتصالات عرضی ممکن است در مقایسه با شیمی پلیمر، حلالیت گاز، دما و پرکننده‌ها تأثیر کمی داشته باشد.

اگر نفوذپذیری مهم است، داده‌های نفوذپذیری یا انتقال را برای ترکیب دقیق درخواست کنید. آن را از سختی، استحکام کششی یا مانایی فشاری استنباط نکنید.

آیا دما نفوذپذیری سیلیکون را افزایش می‌دهد؟

به‌طورکلی، بله. دمای بالاتر، تحرک زنجیره پلیمری و نفوذ گاز را افزایش می‌دهد. دمای پایین‌تر، حجم آزاد و حرکت مولکولی را کاهش می‌دهد، اگرچه گذار فازها و حلالیت گاز می‌تواند این روند را پیچیده کند.

بنابراین، مقدار دمای اتاق، مدرک ضعیفی برای عملکرد آب‌بند در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد است. این قطعه ممکن است همچنان خواص مکانیکی خود را حفظ کند، در حالی که گاز بسیار بیشتری از حد انتظار را منتقل می‌کند. دوام مواد و عملکرد سدگری الزامات جداگانه‌ای هستند.

آیا دیواره سیلیکونی ضخیم‌تر مانع نفوذ می‌شود؟

دیواره ضخیم‌تر سرعت عبور جریان را کاهش می‌دهد، اما سیلیکون را به یک ماده‌ی مانع واقعی تبدیل نمی‌کند. در شرایط پایدار، دو برابر شدن ضخامت تقریباً شار را نصف می‌کند، زمانی که ماده، گاز، مساحت، دما و اختلاف فشار بدون تغییر باقی بمانند.

ضخامت همچنین زمان لازم برای رسیدن به جریان حالت پایدار را افزایش می‌دهد. این می‌تواند باعث شود که یک آزمایش کوتاه مدت بهتر از سرویس طولانی مدت به نظر برسد. برای انبارداری، نگهداری در خلاء یا نگهداری فشار چند روزه، مدت زمان آزمایش باید به اندازه کافی طولانی باشد تا نفوذ گذرا را از رفتار حالت پایدار جدا کند.

چگونه VMQ، PVMQ و FVMQ با هم مقایسه می‌شوند؟

این خانواده پلیمرهای سیلیکونی هم نفوذپذیری و هم سایر خواصی را که انتخاب سیلیکون را توجیه می‌کردند، تغییر می‌دهد.

اگر نفوذپذیری کم اولین نیاز باشد، تغییر هندسه یک قطعه VMQ ممکن است نسبت به تغییر پلیمر یا اضافه کردن یک لایه مانع، تأثیر کمتری داشته باشد. اگر انعطاف‌پذیری دمایی شدید اولین نیاز باشد، یک ساختار PVMQ اصلاح‌شده یا کامپوزیتی می‌تواند مصالحه بهتری باشد.

چه زمانی نفوذپذیری بالای سیلیکون مفید است؟

نفوذپذیری بالا زمانی مفید است که تبادل گاز کنترل‌شده بخشی از عملکرد باشد نه یک نقص.

مثال‌ها شامل غشاهای اکسیژن‌رسانی، دستگاه‌های کشت سلولی میکروفلوئیدیک، تحقیقات جداسازی گاز، اجزای پزشکی قابل تنفس، متعادل‌سازی فشار و برخی رابط‌های پوشیدنی است. غشاهای نازک PDMS می‌تواند تبادل اکسیژن و دی‌اکسید کربن را در حالی که حاوی محیط مایع است، ممکن سازد.

این طرح هنوز به یک پنجره انتقال تعریف‌شده نیاز دارد. “قابل تنفس” یک مشخصه قابل اندازه‌گیری نیست. نقشه یا طرح اعتبارسنجی باید گاز، دما، اختلاف فشار، مساحت فعال، ضخامت و محدوده جریان قابل قبول را بیان کند.

پردازش سطحی نیز نیاز به کنترل دارد. تحقیقات روی PDMS تیمار شده با پلاسمای اکسیژن نشان داد که سطح اکسید شده شبیه سیلیس در ابتدا انتشار اکسیژن را کاهش می‌دهد - گاهی اوقات بیش از 50% - اما PDMS استاندارد 10:1 که در هوا نگهداری می‌شود، پس از حدود سه روز نرخ انتشار مشاهده شده اولیه خود را بازیابی می‌کند. نگهداری در زیر آب، بازیابی را به تأخیر می‌اندازد. منبع: تغییر در انتشار گازها از طریق PDMS.

درمانی که نفوذپذیری را در روز اول تغییر می‌دهد، ممکن است پس از نگهداری یا استفاده مکرر، همان نتیجه را ارائه ندهد.

چه زمانی سیلیکون ماده‌ی نامناسبی برای جلوگیری از نفوذ گاز است؟

سیلیکون زمانی که عملکرد اصلی آن حفظ گاز، حفظ خلاء، جلوگیری از اکسیداسیون یا محدود کردن ورود بخار در درازمدت باشد، یک ماده پیش‌فرض ضعیف است. موارد خطر معمول عبارتند از:

• مثانه‌های پنوماتیک که انتظار می‌رود فشار را برای مدت طولانی نگه دارند؛;
• آب‌بندی‌های خلاء که در آن‌ها پس از کنترل نشت خارجی، نفوذپذیری غالب است؛;
• بسته‌بندی حساس به اکسیژن؛;
• مبرد یا گاز مخصوص مهار شده؛;
• حسگرهای مهر و موم شده با محدودیت‌های دقیق رطوبت؛;
• دیافراگم‌های نازکی که در معرض اختلاف فشار مداوم قرار دارند.

در این کاربردها، ابتدا لاستیک بوتیل، فلوروپلیمرها، موانع فلزی، پارچه‌های روکش‌دار یا ساختارهای چندلایه را با هم مقایسه کنید. سیلیکون ممکن است به دلایل دمایی، انعطاف‌پذیری، زیست‌سازگاری یا فرآیندی همچنان ضروری باشد، اما ضعف مانع بودن آن باید اصلاح شود.

نفوذپذیری سیلیکون چگونه باید آزمایش شود؟

از روشی استفاده کنید که ویژگی مورد نیاز طرح را گزارش می‌دهد. ASTM D1434-23 از یک روش مانومتری برای تعیین نرخ انتقال گاز، نفوذپذیری و - در صورت لزوم - نفوذپذیری فیلم‌ها و ورق‌ها استفاده می‌کند. ایزو ۱۵۱۰۵-۱:۲۰۰۷ آزمایش فشار تفاضلی برای فیلم و ورق پلاستیکی را پوشش می‌دهد؛ ایزو این ویرایش را به عنوان ویرایش فعلی اما در دست ویرایش از سال ۲۰۲۶ فهرست کرده است.

مشخصات یک آزمون قابل استفاده باید شامل موارد زیر باشد:

• ترکیب دقیق و شرایط پخت؛;
• ضخامت نمونه و مساحت در معرض دید؛;
• گاز هدف یا مخلوط گازی تعریف‌شده؛;
• فشار و فشار جزئی در هر دو طرف؛;
• دما و رطوبت نسبی؛;
• سابقه‌ی شرایط و پس از عمل‌آوری؛;
• عملیات سطحی و زمان پیرسازی؛;
• مدت زمان آزمایش و معیار حالت پایدار؛;
• واحدهای مورد نیاز و سقف پذیرش.

مواد را آزمایش کنید یا مجموعه نهایی را؟

وقتی کاربرد حیاتی است، هر دو را آزمایش کنید. آزمایش نفوذپذیری ورق تخت، رفتار مواد فله‌ای را جدا می‌کند. آزمایش فشار-پوسیدگی، گاز ردیاب یا رطوبت مونتاژ نهایی، اتصالات، فشردگی، پیوند، خطوط جدایش و هندسه واقعی را ثبت می‌کند.

این دو نتیجه نباید جایگزین یکدیگر شوند:

برای کنترل تولید، بازرسی ابعادی و آزمایش سختی Shore زمانی که انتقال گاز یک ویژگی حیاتی برای کیفیت است، کافی نیست. ممکن است گواهی ترکیب، فرآیند پخت کنترل‌شده و اعتبارسنجی انتقال دوره‌ای مورد نیاز باشد.

قبل از مشخص کردن سیلیکون چه اطلاعاتی لازم است؟

این ماده را نمی‌توان صرفاً از کلمه “سیلیکون” انتخاب کرد. ابتدا مسئله انتقال را تعریف کنید:

• کدام گاز یا بخار باید عبور کند - یا باید مسدود شود؟
• نرخ انتقال مجاز چقدر است؟
• اختلاف دما و فشار عملیاتی چقدر است؟
• چه مقدار از سطح زمین در معرض دید قرار دارد؟
• حداقل ضخامت دیواره یا غشاء چقدر است؟
• آیا این نیاز پس از پخت نهایی، عملیات پلاسما، استریلیزاسیون یا کهنه‌سازی اندازه‌گیری می‌شود؟
• کدام الزامات مکانیکی، شیمیایی و نظارتی مانع از استفاده از ماده‌ای با نفوذپذیری کمتر می‌شود؟

اگر این ورودی‌ها وجود نداشته باشند، عدد نفوذپذیری از یک برگه اطلاعات عمومی ارزش کمی دارد. ممکن است یک گاز، ضخامت، سیستم واحد، حالت پخت یا دمای متفاوت را توصیف کند. تصمیم درست این نیست که آیا سیلیکون "نفوذپذیر" است یا خیر. تصمیم درست این است که آیا انتقال اندازه‌گیری شده از ترکیب و هندسه دقیق در شرایط کاری آن در محدوده محصول باقی می‌ماند یا خیر.