Un joint en silicone peut empêcher l'eau liquide de pénétrer tout en laissant passer l'oxygène, le dioxyde de carbone ou la vapeur d'eau. Cette apparente contradiction est source d'erreurs de spécification dans les boîtiers étanches, les membranes, tube en silicone, et les produits sensibles à la pression.
La perméabilité du silicone est relativement élevée car les molécules de gaz se dissolvent dans l'élastomère et diffusent à travers le volume libre entre ses chaînes siloxane mobiles. Il est résistant aux liquides, mais ne constitue pas automatiquement une barrière aux gaz ou aux vapeurs.
Cet article explique le comportement du matériau, les variables qui modifient la transmission et les limites que les ingénieurs doivent définir avant de choisir un composé de silicone.
Qu'est-ce que la perméabilité du silicone ?
La perméabilité du silicone correspond à la vitesse à laquelle un gaz ou une vapeur spécifique traverse le silicone dans des conditions définies. Il s'agit d'une propriété intrinsèque du matériau. Elle est différente des fuites à travers un interstice, une ligne de joint, un joint endommagé ou une compression insuffisante. joint torique en silicone.
La perméation se déroule en trois étapes :
- Le gaz se dissout du côté haute pression du silicone.
- Les molécules diffusent à travers le volume libre du réseau polymère.
- Le gaz s'échappe de la surface de basse pression.
Pour une membrane homogène à l'état stationnaire, la relation peut être simplifiée comme suit :
Débit de gaz ∝ perméabilité × surface × différence de pression ÷ épaisseur
Cette équation permet de séparer deux termes souvent confondus :
| Terme | Ce que cela décrit | La géométrie a-t-elle une incidence ? |
|---|---|---|
| Perméabilité | Une propriété intrinsèque d'un matériau, d'un gaz et d'une température définis. | Non, une fois correctement normalisé |
| Perméance | Perméabilité divisée par l'épaisseur de la membrane | Oui |
| débit de transmission du gaz | Volume de gaz traversant un échantillon défini au fil du temps | Oui, la surface et l'épaisseur comptent. |
| Taux de fuite | Écoulement à travers une ouverture, une interface ou un défaut d'étanchéité | Contrôlé principalement par la conception et les défauts des joints d'étanchéité |
Un faible taux de fuite mesuré dans une enceinte ne prouve pas que la perméation gazeuse à long terme est négligeable. Les tests d'étanchéité et les tests de perméabilité répondent à des questions différentes.
Pourquoi le caoutchouc de silicone est-il très perméable ?
Caoutchouc de silicone possède une flexibilité –Si–O–Si– La structure du squelette, les faibles forces intermoléculaires et la grande mobilité des chaînes confèrent à ce matériau un volume libre transitoire plus important que dans de nombreux caoutchoucs hydrocarbonés et thermoplastiques. Les molécules de gaz peuvent ainsi se déplacer d'une ouverture temporaire à une autre.
La perméabilité est le produit de deux interactions entre les matériaux :
P = D × S
Pc'est la perméabilité.Dest le coefficient de diffusion.Sest la solubilité du gaz dans le polymère.
La taille moléculaire influe sur la diffusion, mais elle ne la détermine pas à elle seule. La solubilité gaz-polymère peut être prépondérante. Le dioxyde de carbone, par exemple, peut pénétrer le diméthylsilicone plus rapidement que les gaz plus petits car il est nettement plus soluble dans ce polymère.
Les données de référence publiées pour le diméthylsilicone illustrent cette différence. Les valeurs varient selon la formulation et les conditions d'essai ; le tableau est donc utile pour une comparaison relative et non comme spécification pour une pièce finie.
| Gaz | Perméabilité × 10⁹ cm³·cm/(s·cm²·cmHg) | Diffusivité × 10⁶ cm²/s | Solubilité, cm³(STP)/(cm³·atm) |
|---|---|---|---|
| Azote | 28 | 15 | 0.15 |
| Hélium | 35 | 60 | 0.045 |
| Oxygène | 62 | 16 | 0.31 |
| Hydrogène | 65 | 43 | 0.12 |
| Méthane | 95 | 13 | 0.57 |
| dioxyde de carbone | 323 | 11 | 2.2 |
Source: WL Robb, Membranes minces en silicone : leurs propriétés de perméation et quelques applications, Annales de l'Académie des sciences de New York (1968).
En pratique, c'est simple : l'appellation “ silicone étanche aux gaz ” ne suffit pas. Il faut préciser l'espèce de gaz.
Le silicone est-il étanche mais perméable aux gaz ?
Oui, mais seulement si “ étanche ” signifie résistant à la pénétration de liquide en grande quantité dans les conditions de pression et d'assemblage spécifiées. L'eau liquide ne traverse pas le silicone intact de la même manière qu'un gaz traverse le réseau polymère.
perméabilité à la vapeur d'eau C'est différent. Les molécules de vapeur individuelles peuvent se dissoudre et diffuser à travers le silicone. feuille de caoutchouc de silicone peuvent donc bloquer la pluie ou les éclaboussures de liquides tout en permettant la transmission de vapeur d'eau au fil du temps.
Cette distinction est importante dans :
- Composants électroniques scellés exposés à des variations d'humidité ;
- patchs portables nécessitant une gestion de l'humidité ;
- membranes médicales et de laboratoire ;
- fermetures alimentaires ou pharmaceutiques nécessitant une barrière à vapeur d'eau définie ;
- boîtiers extérieurs où la condensation interne représente le risque réel.
Ne pas utiliser les résultats d'une immersion dans l'eau comme substitut aux données de transmission de la vapeur d'eau. Ils mesurent des mécanismes de transport différents.
Quels gaz pénètrent le plus rapidement dans le silicone ?
Le dioxyde de carbone présente généralement un taux de transmission plus élevé à travers le VMQ que l'oxygène, l'azote, l'hélium ou l'hydrogène dans des conditions comparables. Cet ordre de grandeur dépend du composé et de la température, mais la différence est suffisamment importante pour influencer les choix de conception.
Recherche sur la structure des membranes de silicone Les résultats montrent que les substituants organiques le long de la chaîne polymère peuvent modifier sensiblement la perméabilité à l'oxygène et à l'azote. Les groupes alkyle, aryle et trifluoropropyle plus volumineux réduisent généralement la perméabilité par rapport au diméthylsilicone, bien que le résultat dépende du gaz et de la formulation.
| Type de silicone | Tendance à la perméabilité relative | Raison structurelle |
|---|---|---|
| VMQ | Généralement élevé | La structure du diméthylsiloxane conserve une mobilité de chaîne et un volume libre élevés. |
| PVMQ | Souvent inférieur au VMQ comparable pour certains gaz. | Les substituants phényle modifient l'empilement des chaînes, la solubilité et la diffusion |
| FVMQ | Généralement inférieur au VMQ à usage général | Les groupements latéraux fluorés augmentent la polarité et modifient la solubilité des gaz. |
Cette comparaison montre pourquoi le terme “ silicone ” est trop vague pour un schéma technique. Les silicones VMQ, PVMQ et FVMQ n'offrent pas les mêmes propriétés de barrière, et les classements qualitatifs ne peuvent remplacer les données d'essais spécifiques à chaque composé.
Qu’est-ce qui modifie la perméabilité du silicone ?
Les principaux facteurs influençant les propriétés mécaniques sont le type de gaz, la chimie du silicone, la température, l'épaisseur, la surface exposée et la différence de pression partielle. La formulation du composé et le traitement de surface peuvent également avoir une incidence, mais leur effet doit être vérifié sur le matériau lui-même. Pour une description plus complète des propriétés mécaniques, thermiques, électriques et chimiques, veuillez consulter ce guide complet. propriétés du caoutchouc silicone.
| Variable | Effet sur la perméabilité ou la transmission totale | Implication de la spécification |
|---|---|---|
| espèces gazeuses | Modifie à la fois la solubilité et la diffusion | Tester le gaz ou le mélange gazeux lui-même. |
| Famille des silicones | Le FVMQ et les formulations modifiées peuvent transmettre moins de gaz que le VMQ à usage général. | Précisez la famille et la qualité du polymère. |
| Température | Une température plus élevée augmente généralement la mobilité et la transmission de la chaîne. | Essai à température de service minimale et maximale |
| Épaisseur | Ne modifie pas la perméabilité intrinsèque ; une épaisseur plus importante réduit le débit total | Contrôler l'épaisseur minimale finie |
| Zone exposée | Ne modifie pas la perméabilité intrinsèque ; une surface plus grande augmente le débit total | Utiliser la surface exposée effective dans les calculs |
| Différence de pression partielle | Un différentiel plus important augmente le débit de gaz | Définir la composition du gaz et la pression des deux côtés |
| Remplisseurs | Peut augmenter la tortuosité du trajet et réduire la diffusion | Ne présumez pas que deux composés de même dureté se comportent de la même manière. |
| Traitement de surface | Une surface oxydée de type silice peut temporairement réduire la diffusion de l'oxygène | Définir le traitement, le vieillissement et les conditions de stockage |
| densité de réticulation | Son effet est souvent moindre que prévu dans les plages de formulation de silicone normales. | N’utilisez pas la dureté Shore comme indicateur de perméabilité. |
Une dureté Shore plus élevée réduit-elle la perméabilité ?
Pas de façon fiable. Un composé plus dur peut contenir des niveaux de charge différents ou une structure de réseau différente, mais Dureté Shore A ne précise pas directement le transport du gaz.
Il s'agit d'une erreur de sélection fréquente. Les équipes comparent des plaques de dureté Shore A 40 et 70 et supposent que la plus dure offre automatiquement une meilleure étanchéité aux gaz. Des travaux publiés sur le caoutchouc de silicone et le PDMS non traité indiquent que les variations normales de la densité de réticulation ont peu d'influence par rapport à la chimie du polymère, la solubilité des gaz, la température et les charges.
Si la perméabilité est un critère important, demandez les données de perméabilité ou de transmission du composé exact. Ne la déduisez pas de la dureté, de la résistance à la traction ou de la déformation rémanente à la compression.
La température augmente-t-elle la perméabilité du silicone ?
En général, oui. Une température plus élevée augmente la mobilité des chaînes polymères et la diffusivité des gaz. Une température plus basse réduit le volume libre et le mouvement moléculaire, bien que les transitions de phase et la solubilité des gaz puissent nuancer cette tendance.
Une valeur mesurée à température ambiante ne constitue donc pas une preuve suffisante du fonctionnement d'un joint à 150 °C. La pièce peut conserver ses propriétés mécaniques tout en laissant passer une quantité de gaz nettement supérieure à celle prévue. La durabilité du matériau et l'efficacité de la barrière sont des exigences distinctes.
Une paroi en silicone plus épaisse empêche-t-elle la perméation ?
Une paroi plus épaisse réduit le taux de transmission, mais ne transforme pas le silicone en un véritable matériau barrière. En régime permanent, doubler l'épaisseur divise approximativement par deux le flux lorsque le matériau, le gaz, la surface, la température et la différence de pression restent inchangés.
L'épaisseur augmente également le temps nécessaire pour atteindre un régime permanent. De ce fait, un test court peut paraître plus concluant qu'un test de longue durée. Pour le stockage, le maintien du vide ou le maintien de la pression pendant plusieurs jours, la durée du test doit être suffisamment longue pour distinguer la diffusion transitoire du comportement en régime permanent.
Comment se comparent VMQ, PVMQ et FVMQ ?
Le famille des polymères de silicone modifie à la fois la perméabilité et les autres propriétés qui justifiaient le choix du silicone.
| Matériel | Tendance à la perméabilité | Raison principale de ce choix | Limite à vérifier |
|---|---|---|---|
| VMQ | Haut | Résistance générale à la chaleur, flexibilité, isolation électrique et large disponibilité de traitement | Choix peu judicieux lorsque la rétention de gaz est la fonction principale |
| PVMQ | Inférieur à certaines qualités VMQ, mais toujours perméable | Flexibilité à basse température ; les groupes phényle inhibent la cristallisation | L'efficacité de la barrière reste dépendante de la formulation. |
| FVMQ | Généralement inférieur à VMQ ou PVMQ | Meilleure résistance aux carburants, aux huiles et aux solvants, avec une transmission des gaz réduite. | Le coût, le comportement à basse température et les propriétés mécaniques diffèrent de ceux du VMQ. |
| caoutchouc butyle | Perméabilité aux gaz bien inférieure à celle du silicone | Rétention de gaz, vessies, doublures internes | Capacité de température élevée inférieure et limites chimiques différentes |
| Stratifié technique | Peut fournir un chemin de transmission beaucoup plus bas | Applications nécessitant des surfaces en silicone et une performance de barrière | Collage, fatigue en flexion, bords, piqûres et complexité du processus |
Si la faible perméabilité est la priorité, modifier la géométrie d'une pièce en PVMQ peut s'avérer moins efficace que de changer le polymère ou d'ajouter une couche barrière. Si la flexibilité face à des températures extrêmes est la priorité, une construction en PVMQ modifié ou en composite peut constituer un meilleur compromis.
Quand une perméabilité élevée au silicone est-elle utile ?
Une perméabilité élevée est utile lorsque les échanges gazeux contrôlés font partie de la fonction et ne constituent pas un défaut.
Parmi les exemples, citons les membranes d'oxygénation, les dispositifs de culture cellulaire microfluidiques, la recherche sur la séparation des gaz, les composants médicaux respirants, l'égalisation de la pression et certaines interfaces portables. Membranes minces en PDMS permet les échanges d'oxygène et de dioxyde de carbone tout en contenant un milieu liquide.
La conception nécessite encore une plage de transmission définie. “ Respirant ” n'est pas une spécification mesurable. Le schéma ou le plan de validation doit préciser le gaz, la température, la différence de pression, la surface active, l'épaisseur et la plage de débit admissible.
Le traitement de surface nécessite également un contrôle. Des recherches sur le PDMS traité au plasma d'oxygène ont montré que la surface oxydée, semblable à de la silice, réduisait initialement la diffusion de l'oxygène (parfois de plus de 50%), mais que le PDMS standard 10:1 conservé à l'air retrouvait son taux de diffusion initial après environ trois jours. Le stockage sous l'eau retardait cette récupération. Variation de la diffusion des gaz à travers le PDMS.
Un traitement qui modifie la perméabilité dès le premier jour peut ne pas donner le même résultat après stockage ou utilisation répétée.
Quand le silicone est-il un mauvais matériau barrière aux gaz ?
Le silicone est un mauvais choix par défaut lorsque la fonction principale est de retenir les gaz, de maintenir le vide, d'empêcher l'oxydation ou de limiter l'infiltration de vapeurs à long terme. Les cas de risque typiques incluent :
- vessies pneumatiques conçues pour maintenir la pression pendant de longues périodes ;
- joints d'étanchéité sous vide où la perméation domine une fois les fuites externes maîtrisées ;
- emballage sensible à l'oxygène ;
- confinement du réfrigérant ou des gaz spéciaux ;
- capteurs étanches avec des limites strictes de dérive d'humidité ;
- diaphragmes minces exposés à un différentiel de pression continu.
Dans ces applications, il convient d'abord de comparer le caoutchouc butyle, les fluoropolymères, les barrières métalliques, les tissus enduits ou les structures multicouches. Le silicone peut rester nécessaire pour des raisons de température, de flexibilité, de biocompatibilité ou de mise en œuvre, mais sa faiblesse en tant que barrière doit alors être compensée par une conception adaptée.
Comment tester la perméabilité du silicone ?
Utilisez une méthode qui signale la propriété requise par la conception. ASTM D1434-23 utilise une méthode manométrique pour déterminer le taux de transmission des gaz, la perméance et, le cas échéant, la perméabilité des films et des feuilles. ISO 15105-1:2007 couvre les essais de pression différentielle pour les films et feuilles de plastique ; l'ISO indique que cette édition est à jour mais en cours de révision à partir de 2026.
Une spécification de test utilisable doit inclure :
- composition exacte et conditions de durcissement ;
- épaisseur de l'échantillon et surface exposée ;
- gaz cible ou mélange gazeux défini ;
- pression et pression partielle des deux côtés ;
- température et humidité relative ;
- historique de conditionnement et de post-cure ;
- traitement de surface et durée de vieillissement ;
- durée du test et critère d'état stable ;
- unités requises et limite d'acceptation.
Tester le matériau ou l'assemblage fini ?
Il est recommandé de réaliser les deux types de tests lorsque l'application est critique. Un test de perméabilité sur feuille plane permet d'isoler le comportement du matériau en vrac. Un test de chute de pression, de gaz traceur ou d'humidité sur assemblage fini permet d'évaluer les joints, la compression, le collage, les lignes de joint et la géométrie réelle.
Les deux résultats ne doivent pas être substitués l'un à l'autre :
| Niveau de test | Ce que cela révèle | Ce qui manque |
|---|---|---|
| coupon de matériel | Transmission intrinsèque de composés dans des conditions contrôlées | Géométrie des joints, variations de moulage |
| Pièce moulée | Effets de l'épaisseur réelle, du durcissement et de la géométrie locale | Interfaces d'assemblage complètes |
| Assemblage terminé | Perméation et fuite combinées en conditions d'utilisation | Il est possible que le chemin ayant conduit au résultat ne soit pas identifié. |
Pour le contrôle de la production, l'inspection dimensionnelle et l'essai de dureté Shore ne suffisent pas lorsque la transmission des gaz est un critère de qualité essentiel. Un certificat de composition, un processus de vulcanisation contrôlé et une validation périodique de la transmission peuvent être nécessaires.
Quelles informations sont nécessaires avant de choisir du silicone ?
Le matériau ne peut être choisi uniquement à partir du mot “ silicone ”. Il faut d'abord définir le problème de transport.
- Quel gaz ou vapeur doit passer — ou doit être bloqué ?
- Quel est le débit de transmission autorisé ?
- Quelles sont les températures et les différences de pression de fonctionnement ?
- Quelle est la surface exposée ?
- Quelle est l'épaisseur minimale de la paroi ou de la membrane ?
- L'exigence est-elle mesurée après post-cuisson, traitement plasma, stérilisation ou vieillissement ?
- Quelles sont les exigences mécaniques, chimiques et réglementaires qui empêchent l'utilisation d'un matériau à plus faible perméabilité ?
En l'absence de ces informations, la valeur de perméabilité indiquée dans une fiche technique générique est peu utile. Elle peut correspondre à un autre gaz, une autre épaisseur, un autre système d'unités, un autre état de polymérisation ou une autre température. La question pertinente n'est pas de savoir si le silicone est “ perméable ”, mais plutôt si la transmission mesurée, pour le composé et la géométrie précis, reste dans les limites du produit dans ses conditions d'utilisation.
