סיליקון מתואר לעתים קרובות כקל משקל, עמיד למים והידרופובי. קל לבלבל בין המונחים הללו. צפיפות הסיליקון המוצק האופיינית היא כ-1.05–1.60 גרם/סמ"ק, כך שרוב חלקי הסיליקון הלא מוקצפים שוקעים במים. הידרופוביות מסייעת להצטברות אגלני מים על פני השטח, אך היא לא הופכת כל עיצוב סיליקון לאטום לדליפות או לאטום.
עבור עיצוב מוצר, שלוש שאלות נפרדות חשובות: צפיפות התרכובת, הצפיפות הממוצעת של החלק השלם, והאופן שבו מים מקיימים אינטראקציה עם פני השטח וגיאומטריית האטם.
מהי צפיפות הסיליקון האופיינית?
צפיפות של תרכובת גומי סיליקון שעברה תהליך ריפוי היא המסה שלה חלקי הנפח שלה. בדרך כלל מדווחת על כך ב-g/cm³, kg/m³, או כמשקל סגולי.
עבור רבים מוצקים תרכובות HCR ו תרכובות LSR, טווח התחלתי מעשי הוא 1.05–1.60 גרם/סמ"ק. WACKER מדווחת על טווח זה עבור גומי סיליקון ומציינת כי חומרי מילוי לא פעילים נוספים כמו קוורץ יכולים להעלות את הצפיפות לכ- 1.75 גרם/סמ"ק. תרכובות מיוחדות בודדות יכולות לחרוג מטווח זה, כך שגיליון הנתונים המאושר של החומר נותר הערך המבקר.
| חומר או מבנה סיליקון | טווח צפיפות מעשי | נטיית ציפה במים מתוקים | הסיבה העיקרית לשונות |
|---|---|---|---|
| גומי סיליקון מוצק לשימוש כללי | 1.05–1.30 גרם/סמ"ק | בדרך כלל שוקע | פולימר, סיליקה לחיזוק, פיגמנט ותוספים |
| תרכובת סיליקון מלאה מאוד | 1.30–1.75+ גרם/סמ"ק | כיורים | קוורץ, תחמוצת מתכת או חומר מילוי אחר בצפיפות גבוהה |
| פלואורסיליקון או תרכובת מיוחדת | ספציפי לדרגה | בדרך כלל שוקע | חבילת פולימרים ומילוי שונים |
| קצף סיליקון או ספוג | לעיתים קרובות מתחת ל-1.0 גרם/סמ"ק | עשוי לצוף | מבנה תאי סגור או פתוח |
| חלק סיליקון יצוק חלול | תלוי במסה הכוללת ובנפח המועבר | עשוי לצוף | אוויר לכוד מוריד את הצפיפות הממוצעת של החלק |
אלו הם טווחי תכנון, לא מגבלות בדיקה נכנסות. לצורך רכש ובקרת איכות, יש לציין את הצפיפות המוצגת ב-TDS המאושר ולהגדיר את שיטת הבדיקה.
האם צפיפות וכוח משיכה סגולי זהים?
הם קשורים זה לזה באופן הדוק אך אינם זהים.
צְפִיפוּת היא מסה ליחידת נפח. משקל סגולי הוא היחס בין צפיפות החומר לצפיפות המים בטמפרטורה מוגדרת. מכיוון שמים קרובים ל-1.00 גרם/סמ"ק, הערכים המספריים דומים לעיתים קרובות כאשר הצפיפות מבוטאת בגרם/סמ"ק.
לכן, לתרכובת סיליקון בצפיפות של 1.20 גרם/סמ"ק יש משקל סגולי הקרוב ל-1.20 בתנאי בדיקה רגילים.
עבור חלקי סיליקון מוצקים, שיטות מדידה נפוצות כוללות:
- ASTM D792 עבור צפיפות ומשקל סגולי לפי תזוזה
- שיטה א' לתקן ISO 1183-1 למדידת טבילה
- ASTM D297 שיטות המשמשות למוצרי גומי ותרכובות
השיטה, מצב הדגימה, הטמפרטורה ונוכחות בועות לכודות משפיעים על התוצאה. השוואת נתוני ספק מבלי לבדוק את השיטה עלולה ליצור הבדל שגוי.
האם סיליקון צף במים?
רוב גומי הסיליקון המוצק והלא מוקצף שוקע מכיוון שצפיפותו גבוהה יותר מצפיפות המים המתוקים.
התנאי הבסיסי הוא:
- אם צפיפות החלקים הממוצעת היא מתחת ל-1.00 גרם/סמ"ק, החלק יכול לצוף במים מתוקים.
- אם צפיפות החלקים הממוצעת היא מעל 1.00 גרם/סמ"ק, החלק שוקע אלא אם כן הגיאומטריה שלו לוכדת מספיק אוויר.
- במי מלח, צפיפות הנוזל גבוהה יותר, ולכן אותו חלק מקבל כוח ציפה מעט יותר.
SIMTEC מדווחת על צפיפות LSR אופיינית של 1.10–1.50 גרם/סמ"ק ומציין ש-LSR מוצק שוקע לכן. המילה החשובה היא מוּצָק. צעצוע אמבטיה חלול, מצוף אטום או מכלול יצוק יתר על המידה עשויים לצוף גם כאשר עור הסיליקון שלהם צפוף יותר ממים.
דוגמה לסיליקון מוצק
רכיב סיליקון מוצק מכיל:
- נפח: 100 סמ"ק
- צפיפות תרכובת: 1.20 גרם/סמ"ק
- מסה: 100 × 1.20 = 120 גרם
כאשר הוא שקוע לחלוטין, הוא דוחק כ-100 גרם של מים מתוקים. החלק שוקל יותר מהמים שנדחקים, ולכן הוא שוקע.
דוגמה לסיליקון חלול
נניח שחלק אטום שוקל 70 גרם ודוחק 150 סמ"ק של מים בהתבסס על נפחו החיצוני.
צפיפות חלקים ממוצעת = 70 ÷ 150 = 0.47 גרם/סמ"ק
חלל האוויר האטום מוריד את צפיפות המכלול השלם מתחת לזו של מים, כך שהחלק יכול לצוף. אם החלל דולף ומתמלא במים, יתרון זה נעלם.
כמה שוקל חלק מסיליקון?
השתמש בצפיפות התרכובת המוגמרת, לא בערך סיליקון כללי.
מסה = נפח × צפיפות
עבור מידות במילימטרים:
מסה (גרם) = נפח (מ"מ³) ÷ 1,000 × צפיפות (גרם/סמ"ק)
פד סיליקון מלבני בגודל 100 × 50 × 5 מ"מ הוא בעל נפח של 25,000 מ"מ מעוקב, או 25 סמ"ק. במשקל של 1.20 גרם/סמ"ק, המסה המשוערת היא:
25 × 1.20 = 30 גרם
| קֶלֶט | ערך לדוגמה | סיכון רכש אם נלקח בחשבון |
|---|---|---|
| נפח יצוק נטו | 25 סמ"ק | נפח CAD עשוי לכלול צלעות, שערים או מוספים |
| צפיפות תרכובת | 1.20 גרם/סמ"ק | ניסוח חלופי משנה את משקל החתיכה |
| מסת חלק משוערת | 30 גרם | הערכות אריזה ומשלוח יכולות להשתנות בין הזמנות גדולות |
| כמות הזמנה | 100,000 חתיכות | שגיאה של 2 גרם הופכת ל-200 ק"ג לאורך כל המשלוח |
חישוב זה שימושי להצעת מחיר והערכות אריזה. מגבלות משקל סופיות ליחידה צריכות להגיע מדגימות מאומתות מכיוון שההבזק, משקל המילוי, הפיגמנט, עומס המילוי ושונות היציקה נשארים בחלק המוגמר.
מה משנה את צפיפות הסיליקון?
צפיפות הסיליקון תלויה בפורמולציה. היא אינה נשלטת על ידי שם הפולימר בלבד.
חומרי מילוי מחזקים ולא פעילים
סיליקה מעושנת או משוקעת מחזקת את הפולימר. קוורץ וחומרי מילוי מינרליים אחרים יכולים להעלות את הצפיפות עוד יותר. יצרן תרכובות עשוי להשתמש בחומרי מילוי כדי להתאים את הקשיות, חוזק הקרע, הריאולוגיה, ההתנהגות החשמלית, עמידות הנפיחות או העלות. אותו הדבר קשיות שור A לכן ניתן להגיע אליהן באמצעות חבילות פורמולציה שונות וצפיפויות שונות.
פיגמנטים ותוספים פונקציונליים
תערובת אב של צבע גורמת בדרך כלל לשינוי קטן יותר מאשר טעינת חומר מילוי כבד, אך ההשפעה ניתנת למדידה כאשר סבולות משקל החלקים צרות. תוספים מעכבי בעירה, מוליכים תרמית, מוליכים חשמלית או אטומים לרדיו יכולים לשנות את הצפיפות באופן משמעותי.
אוויר, חללים ומבנה תאי
סיליקון מוקצף מכיל תאי גז וייתכן שצפיפות הנפח שלו נמוכה מ-1.00 גרם/סמ"ק. חללים לא מכוונים יכולים גם הם להפחית את הצפיפות הנמדדת של דגימה, אך זהו אות פגם ולא דרך תקפה להפחתת משקל.
ריפוי ובקרת תהליך
לתנאי הריפוי יש בדרך כלל פחות השפעה על הצפיפות מאשר לניסוח, אך שגיאות ערבוב, יחס A:B שגוי עבור LSR, זיהום או אוויר לכוד יכולים לשנות את הערכים הנמדדים. לכן, צפיפות שימושית כבדיקת סינון מהירה, לא כהוכחה לכך שכל תכונה מכנית או תכונת תאימות נכונה.
האם סיליקון הידרופובי?
סיליקון מבוסס PDMS לא מטופל הוא הידרופובי מטבעו מכיוון שקבוצות מתיל מכוונות על פני השטח בעלי האנרגיה הנמוכה שלו. מים נוטים להתגבש במקום להתפשט על פני השטח. יריעת סיליקון.
זווית מגע מים נפוצה עבור PDMS לא מטופל היא סביב 100–120°. המדידות שפורסמו משתנות בהתאם לפורמולציה, חספוס פני השטח, ניקיון, שיטת הטיפות וההתניה. זווית מגע מעל 90° מצביעה בדרך כלל על התנהגות הרטבה הידרופובית.
הידרופוביות מתארת את האינטראקציה של פני השטח עם טיפת מים. היא אינה מתארת את ההתנהגות המלאה של מוצר יצוק.
| תכונה | מה זה מודד | מה זה לא מוכיח |
|---|---|---|
| זווית מגע עם המים | הרטבה על פני השטח | עמידות בפני דליפות של מכלול |
| ספיגת מים | מסה שנצברה לאחר חשיפה מוגדרת | התנהגות חרוזי פני השטח |
| חדירות אדי מים | הובלת לחות דרך החומר | עמידות בפני דליפת נוזלים-מים במפרק |
| דירוג IP | הגנת מארז תחת בדיקה מוגדרת | ביצועים אוניברסליים בכל לחץ ומשך זמן |
טיפול פני השטח משנה גם הוא את התוצאה. טיפול בפלזמת חמצן או טיפול בקורונה יכול להפוך את PDMS להידרופילית באופן זמני כדי לשפר את ההדבקה, הציפוי או הרטבה המיקרופלואידית. משטחי סיליקון יכולים לאחר מכן לעבור התאוששות הידרופובית לאורך זמן. לכן, ניסויי הדבקה צריכים להגדיר את הזמן המותר בין הטיפול ליישום הדבק.
האם סיליקון עמיד למים?
רכיב סיליקון רציף בדרך כלל עמיד למים נוזליים, אך "עמידות למים" היא טענה של מערכת ולא של חומר גלם.
אטם יצוק עדיין יכול לדלוף כאשר:
- דחיסה נמוכה מדי או לא אחידה;
- קו הפרידה חוצה את משטח האיטום;
- הבזק, קווים סרוגים, אבק או נזק למשטח יוצרים נתיב דליפה;
- דחיסה מקטינה את כוח האיטום במחזורי חום חוזרים ונשנים;
- הדיור מתנודד תחת לחץ;
- עיצוב החיבור מסתמך על דבק שאינו רטוב סיליקון לא מטופל;
- המארז נבדק בלחץ או במשך זמן מחוץ לגבולות התכנון שלו.
צוותים נוטים להפריז בהערכת ההידרופוביות מכיוון שאגלי מים גלויים נראים כהוכחה לביצועי איטום. בייצור, נתיב הדליפה הוא בדרך כלל בממשק, ולא דרך מרכז של מקטע סיליקון תקין.
עבור מארז, הגדירו את הדרישה בפועל: חשיפה להתזות מים, טבילה מתמשכת, לחץ הידרוסטטי, קיטור, מי מלח, כימיקלי ניקוי או בדיקת IP. תנאים אלה אינם ניתנים להחלפה.
כמה מים סופג סיליקון?
גומי סיליקון סופג בדרך כלל פחות מים, אך אין להחיל ערך אוניברסלי כמו "מתחת ל-0.5%" על כל תרכובת.
מאגרי מידע שפורסמו מכילים מגוון רחב של נתונים משום שהם משלבים גומי צפוף, קצף, פורמולות מיוחדות, עוביי דגימה שונים ותנאי חשיפה שונים. לכן, יש לקשור את ספיגת המים לדרגה ולשיטה כגון ASTM D570 אוֹ ISO 62, עם משך הזמן והטמפרטורה המצוינים.
למפרט אמיתי, בקשו:
- הדרגה שנבדקה ומצב הריפוי;
- עובי הדגימה;
- זמן טבילה וטמפרטורת המים;
- שינוי מסה באחוזים;
- שינוי ממדי, אם סבולות צפופות חשובות;
- שימור תכונות חשמליות או מכניות לאחר מיזוג.
ספיגת מים נמוכה גם לא אומרת אפס מעבר אדי מים. לסיליקון יש רמת ספיגה גבוהה יחסית. חדירות גז ואדים בהשוואה לאלסטומרים אורגניים צפופים רבים. זה שימושי עבור ממברנות נושמות אך יכול להוות מגבלה באריזות מחסום לחות או במארזי חיישנים.
כיצד על קונים לציין את צפיפות הסיליקון?
השתמש בצפיפות כתכונה מבוקרת אחת בתוך מפרט חומר מלא.
| פריט מפרט | דרישה מעשית |
|---|---|
| כיתה חומרית | ספק וקוד תרכובת מדויק |
| מערכת ריפוי | פלטינה, מי חמצן או מערכת ספציפית לדרגה |
| צפיפות או משקל סגולי | ערך נומינלי וסבולת מ-TDS שאושר |
| שיטת בדיקה | ASTM D792, ASTM D297, או ISO 1183-1 |
| תנאי בדיקה | טמפרטורה, מצב הדגימה ומצב ריפוי |
| סובלנות משקל חלקית | מוגדר בנפרד מצפיפות החומר |
| דרישת מים | בדיקת ספיגה, טבילה, לחץ, העברת אדים או IP |
| בקרת שינויים | אין להחליף פורמולות או חומרי מילוי ללא אישור |
אין להשתמש בצפיפות בלבד כדי לקבל תרכובת סיליקון. שני חומרים יכולים להיות בעלי אותה צפיפות אך נבדלים בחוזק מתיחה, עמידות לקרע, עמידות לדחיסה, דרישות לאחר ריפוי, חומרים ניתנים לחילוץ ומעמד רגולטורי.
שאלות נפוצות
האם סיליקון באיכות מזון צף?
מצב מגע עם מזון אינו קובע את כושר הציפה. רוב חלקי הסיליקון המוצקים הבאים במגע עם מזון שוקעים מכיוון שצפיפותם גבוהה מ-1.00 גרם/סמ"ק. עיצוב חלול או מוקצף עלול לצוף.
האם סיליקון כבד יותר ממים?
רוב גומי הסיליקון המוצק כבד יותר ליחידת נפח מאשר מים מתוקים. צפיפות התרכובת האופיינית היא כ-1.05–1.60 גרם/סמ"ק, בעוד שמים מתוקים קרובים ל-1.00 גרם/סמ"ק.
האם קשיות Shore גבוהה יותר פירושה צפיפות גבוהה יותר?
לא בהכרח. קשיות וצפיפות שתיהן תלויות בפורמולציה, אך אין המרה אוניברסלית ביניהן. השתמש ב-TDS המצטבר עבור כל ערך.
גבול העיצוב
עבור חישובי משקל, יש לספק את נפח ה-CAD המוגמר, משקל התוספת, צפיפות התרכובת שאושרה וסבילות משקל ליחידה. עבור ציפה, יש לספק את מסת ההרכבה המלאה, נפח עקירה חיצוני, שיטת איטום החלל ונוזל השירות. עבור עמידות למים, יש להגדיר לחץ, זמן, טמפרטורה, גיאומטריית חיבור ואת הבדיקה הרלוונטית.
ללא קלטים אלה, "סיליקון צף" ו"סיליקון עמיד למים" הן הכללות חומריות, לא מפרטי ייצור.
