آیا سیلیکون آب می‌شود؟ این سوال رایجی است که برای بسیاری از افراد پیش می‌آید.
ما اغلب برای قضاوت در مورد مقاومت حرارتی یک ماده به مفهوم نقطه ذوب تکیه می‌کنیم. اما سیلیکون یک ترموپلاستیک معمولی نیست، نقطه ذوب مشخصی ندارد. در عوض، وقتی در معرض دمای بالا قرار می‌گیرد، به تدریج نرم می‌شود، خاصیت ارتجاعی خود را از دست می‌دهد و در نهایت تجزیه می‌شود.
در این مقاله، بررسی خواهیم کرد که چرا این اتفاق می‌افتد و با افزایش دما واقعاً چه اتفاقی برای سیلیکون می‌افتد.
چرا سیلیکون نقطه ذوب سنتی ندارد؟
سیلیکون به معنای سنتی ذوب نمی‌شود. این عمدتاً به دلیل ساختار شیمیایی منحصر به فرد و چیدمان مولکولی آن است.
ستون فقرات قوی Si–O
سیلیکون دارای یک ساختار اصلی سیلیکون-اکسیژن با انرژی پیوند بسیار بالا است. این ساختار قوی به سیلیکون مقاومت حرارتی عالی می‌دهد. برخلاف فلزات که در دمای خاصی ذوب می‌شوند، سیلیکون پایدار می‌ماند. در اثر حرارت به راحتی تجزیه نمی‌شود.
ساختار آمورف
برخلاف فلزات با ساختار کریستالی منظم، سیلیکون عمدتاً آمورف است. این بدان معناست که هیچ نقطه انرژی دقیقی وجود ندارد که در آن همه مولکول‌ها از جامد به مایع تبدیل شوند. با گرم شدن سیلیکون، زنجیره‌های مولکولی آن به سادگی بیشتر و بیشتر حرکت می‌کنند و باعث می‌شوند ماده به جای ذوب شدن شدید، به تدریج نرم و منبسط شود.
شبکه متقاطع
بیشتر سیلیکون‌ها پس از پخت، از طریق پیوندهای شیمیایی بین زنجیره‌هایشان، یک شبکه سه‌بعدی تشکیل می‌دهند. این پیوندهای عرضی، ساختار را در کنار هم نگه می‌دارند. وقتی دما خیلی بالا می‌رود، این پیوندها و حتی اسکلت اصلی شروع به شکستن می‌کنند. این منجر به تجزیه می‌شود، نه ذوب شدن.
سیلیکون در دماهای بالا چگونه رفتار می‌کند؟
وقتی مردم می‌شنوند که سیلیکون نقطه ذوب سنتی ندارد، سوال بعدی آنها اغلب این است: «پس سیلیکون با افزایش دما چگونه رفتار می‌کند؟»
سیلیکون مانند فلز یا پلاستیک ذوب نمی‌شود. در عوض، یک گذار تدریجی را طی می‌کند - از نرم شدن تا از دست دادن خاصیت ارتجاعی و در نهایت تجزیه شدن در دماهای بسیار بالا. این تغییر تدریجی، سیلیکون را بسیار منحصر به فرد می‌کند، اما همچنین نیاز به درک روشنی از محدودیت‌های حرارتی آن دارد.
این جدول نشان می‌دهد که چگونه سیلیکون با افزایش دما تغییر می‌کند.
| محدوده دما | رفتار حرارتی |
| <150 درجه سانتیگراد | بدون هیچ تغییر محسوسی، پایدار می‌ماند |
| ۱۵۰–۲۰۰ درجه سانتیگراد | کمی شروع به نرم شدن می‌کند؛ خاصیت ارتجاعی کمی کاهش می‌یابد |
| حدود ۲۵۰ درجه سانتیگراد | برخی از اجزای با وزن مولکولی کم شروع به تبخیر می‌کنند؛ ساختار محلی سست می‌شود |
| ۳۰۰–۴۰۰ درجه سانتیگراد | زنجیره‌های پلیمری می‌شکنند؛ تجزیه حرارتی آغاز می‌شود و گازهای آلی آزاد می‌شوند |
| >400 درجه سانتیگراد | کربنیزاسیون کامل رخ می‌دهد و باقیمانده معدنی (خاکستر سفید یا زغال سیاه) باقی می‌ماند. |
سیلیکون در دماهای بالا چگونه با سایر مواد مقایسه می‌شود؟
هنگام انتخاب مواد برای محیط‌های با دمای بالا، درک این نکته ضروری است که آیا آنها ذوب می‌شوند، چگونه تحت گرما رفتار می‌کنند و آیا برای چنین شرایط سختی مناسب هستند یا خیر.
جدول زیر سیلیکون را با چندین ماده پرکاربرد دیگر مقایسه می‌کند. این جدول رفتار حرارتی و قابلیت استفاده آنها را در محیط‌های با گرمازدگی شدید برجسته می‌کند.
| مواد | آیا ذوب می‌شود؟ | دمای تجزیه | مناسب برای استفاده در دمای بالا؟ |
| سیلیکون | خیر | ۳۰۰–۴۰۰ درجه سانتیگراد | بله |
| پلی اتیلن/پلی پروپیلن | بله | <250 درجه سانتیگراد | خیر |
| پی وی سی | بله | <200 درجه سانتیگراد | خیر |
| TPE | بله | ۱۸۰–۲۳۰ درجه سانتیگراد | محدود |
| لاستیک طبیعی | خیر | <250 درجه سانتیگراد | تا حدی |
| ویتون (FKM) | خیر | >300 درجه سانتیگراد | بله (هزینه بالا) |
سیلیکون چگونه در دماهای بالا تجزیه می‌شود؟
سیلیکون به دلیل مقاومت حرارتی فوق‌العاده‌اش شناخته شده است و در بسیاری از کاربردهای دشوار عملکرد خوبی دارد.
با این حال، مانند هر ماده دیگری، سیلیکون نیز محدودیت‌های خود را دارد. سیلیکون وقتی در معرض دمای بسیار بالاتر از محدوده طراحی خود قرار می‌گیرد، در نهایت شروع به تجزیه شدن می‌کند.
بخش‌های بعدی آن را گام به گام توضیح خواهند داد.
نرم شدن در دماهای بالا
با افزایش دما از حد مجاز کارکرد ایمن سیلیکون (معمولاً بالای ۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد)، این ماده مانند یخ ذوب نمی‌شود. در عوض، به آرامی خاصیت ارتجاعی و انعطاف‌پذیری خود را از دست می‌دهد.
ممکن است متوجه شوید که ماده شکننده می‌شود یا نشانه‌هایی از زرد شدن یا تغییر رنگ نشان می‌دهد. این یک تغییر فاز شدید نیست، بلکه نشانه‌ای از اکسیداسیون حرارتی است. زنجیره‌های مولکولی فعال‌تر حرکت می‌کنند و در حضور اکسیژن شروع به تجزیه می‌کنند.
در این مرحله، خواص فیزیکی سیلیکون - مانند استحکام کششی و قابلیت آب‌بندی - به شدت کاهش می‌یابد، به این معنی که دیگر برای استفاده اصلی خود مناسب نیست.
تجزیه شیمیایی
با افزایش دما، تجزیه شیمیایی آغاز می‌شود.
اولین بخش‌هایی که تخریب می‌شوند، گروه‌های جانبی آلی متصل به اسکلت سیلیکون، مانند گروه‌های متیل هستند. این گروه‌ها انرژی پیوند کمتری دارند و به مولکول‌های آلی کوچک یا گازها تجزیه می‌شوند. این فرآیند ممکن است مقدار کمی دود تولید کند.
برخلاف سوختن پلاستیک، این دود بسیار کم است زیرا سیلیکون حاوی مواد آلی کمی است.
در نهایت، ستون فقرات سیلیکون-اکسیژن نیز در دماهای بسیار بالا شروع به شکستن و بازآرایی می‌کند.
این نشان دهنده تجزیه شیمیایی کامل ساختار سیلیکون است.
حالت نهایی
پس از یک سری واکنش‌های دمای بالا، سیلیکون معمولاً بقایای معدنی از خود به جا می‌گذارد.
وقتی تمام بخش‌های آلی از بین رفتند و اسکلت اصلی تجزیه شد، اتم‌های سیلیکون و اکسیژن به دی‌اکسید سیلیکون (SiO₂) تبدیل می‌شوند - ترکیبی بسیار پایدار. این ترکیب معمولاً به صورت پودر سفید ریز یا خاکستر ظاهر می‌شود. به همین دلیل است که وقتی سیلیکون را می‌سوزانید، اغلب باقیمانده‌ای سبک و سفید باقی می‌ماند.
در طول تجزیه، مقادیر کمی از سیلوکسان‌های فرار نیز ممکن است آزاد شوند.
چه عواملی بر مقاومت حرارتی سیلیکون تأثیر می‌گذارند؟
مقاومت حرارتی سیلیکون ثابت نیست. این یک ویژگی پیچیده و قابل تنظیم است. درک عوامل کلیدی و نحوه تعامل آنها برای کنترل عملکرد سیلیکون ضروری است.
ساختار مولکولی
مقاومت حرارتی سیلیکون عمدتاً از ساختار قوی سیلیکون-اکسیژن آن ناشی می‌شود. انواع گروه‌های جانبی آلی متصل به اتم‌های سیلیکون نیز نقش حیاتی دارند.
برای مثال، افزودن گروه‌های حاوی فلوئور می‌تواند مقاومت در برابر روغن و مواد شیمیایی را تا حد زیادی بهبود بخشد و در عین حال پایداری حرارتی بالایی را حفظ کند.
شبکه اتصال عرضی
چگالی و نوع پیوندهای عرضی مستقیماً میزان پایداری سیلیکون را تعیین می‌کنند.
پیوندهای عرضی تشکیل شده توسط پخت افزایشی کاتالیز شده با پلاتین، پایدارتر از پیوندهای عرضی حاصل از پخت پراکسیدی هستند. این امر اغلب منجر به مقاومت حرارتی بلندمدت بهتری می‌شود.
چگالی بالاتر اتصالات عرضی همچنین می‌تواند مقاومت حرارتی کوتاه‌مدت و سختی را بهبود بخشد.
پرکننده ها و افزودنی ها
تثبیت‌کننده‌های حرارتی کلید بهبود عملکرد حرارتی بلندمدت سیلیکون هستند.
افزودنی‌هایی مانند اکسید آهن یا کربن سیاه می‌توانند تخریب اکسیداتیو را در دماهای بالا کاهش داده و عمر ماده را افزایش دهند. پرکننده‌های تقویت‌کننده مانند سیلیس فوم‌شده نه تنها استحکام مکانیکی را افزایش می‌دهند، بلکه پایداری حرارتی را نیز افزایش می‌دهند.
محیط خارجی و پردازش
کنترل دقیق در حین تولید بسیار مهم است. عمل آوری مناسب، بهترین پایداری حرارتی را تضمین می‌کند.
در استفاده در دنیای واقعی، شرایط خارجی نیز مهم هستند. قرار گرفتن در معرض اکسیژن، رطوبت یا مواد شیمیایی می‌تواند پیری را تسریع کند. استرس مکانیکی همچنین می‌تواند دوام را در دماهای بالا کاهش دهد.
نتیجه
سیلیکون نقطه ذوب ثابتی ندارد. در زیر حرارت بالا به مایع تبدیل نمی‌شود، اما شکل خود را تا زمانی که کربنیزه و تجزیه شود، حفظ می‌کند. درک این موضوع به شما کمک می‌کند تا از محصولات سیلیکونی به روش صحیح استفاده کنید. محصولات عالی با مواد مناسب و تیم مناسب شروع می‌شوند. ما به مشتریان در سراسر جهان با راه‌حل‌های سیلیکونی سفارشی کمک کرده‌ایم. اکنون نوبت شماست. برای شروع با ما تماس بگیرید.
