Una guarnizione in silicone può bloccare l'acqua liquida e consentire comunque il passaggio di ossigeno, anidride carbonica o vapore acqueo attraverso il suo volume. Questa apparente contraddizione causa errori di specifica negli alloggiamenti sigillati, nelle membrane, tubo in silicone, e prodotti sensibili alla pressione.
La permeabilità del silicone è relativamente elevata perché le molecole di gas si dissolvono nell'elastomero e diffondono attraverso il volume libero tra le sue catene silossaniche mobili. È resistente ai liquidi, ma non costituisce automaticamente una barriera ai gas o al vapore.
Questo articolo illustra il comportamento del materiale, le variabili che ne influenzano la trasmissione e i limiti che gli ingegneri dovrebbero definire prima di selezionare una mescola di silicone.
Che cos'è la permeabilità del silicone?
La permeabilità del silicone è la velocità con cui un gas o vapore specifico attraversa il silicone in condizioni definite. È una proprietà del materiale in massa. Non è la stessa cosa della perdita attraverso una fessura, una linea di separazione, una guarnizione danneggiata o una compressione inadeguata. O-ring in silicone.
La permeazione avviene in tre fasi:
- Il gas si dissolve nel lato ad alta pressione del silicone.
- Le molecole diffondono attraverso il volume libero nella rete polimerica.
- Il gas fuoriesce dalla superficie a bassa pressione.
Per una membrana omogenea in condizioni di stato stazionario, la relazione può essere semplificata come segue:
Flusso di gas ∝ permeabilità × area × differenza di pressione ÷ spessore
Questa equazione separa due termini che spesso vengono confusi:
| Termine | Ciò che descrive | La geometria influisce su questo? |
|---|---|---|
| Permeabilità | Una proprietà intrinseca di un materiale, un gas e una temperatura definiti. | No, se correttamente normalizzato |
| Permeanza | Permeabilità divisa per lo spessore della membrana | SÌ |
| Tasso di trasmissione del gas | Volume di gas che attraversa un campione definito nel tempo | Sì, l'area e lo spessore contano. |
| Tasso di perdita | Flusso attraverso un'apertura, un'interfaccia o un difetto di tenuta | Controllato principalmente dalla progettazione e dai difetti della guarnizione |
Un basso tasso di perdita misurato all'interno dell'involucro non dimostra che la permeazione del gas a lungo termine sia trascurabile. Le prove di tenuta e le prove di permeabilità rispondono a domande diverse.
Perché la gomma siliconica è altamente permeabile?
Gomma siliconica ha un flessibile –Si–O–Si– Struttura portante, basse forze intermolecolari e alta mobilità delle catene. Queste caratteristiche creano un volume libero transitorio maggiore rispetto a quello presente in molte gomme idrocarburiche e termoplastiche. Le molecole di gas possono spostarsi da un'apertura temporanea all'altra.
La permeabilità è il risultato di due interazioni materiali:
P = D × S
Pè la permeabilità.Dè il coefficiente di diffusione.Sè la solubilità del gas nel polimero.
Le dimensioni molecolari influenzano la diffusione, ma da sole non determinano il risultato. La solubilità del gas nel polimero può essere il fattore dominante. L'anidride carbonica, ad esempio, può permeare il dimetilsilicone più velocemente rispetto a gas di dimensioni inferiori perché è sostanzialmente più solubile nel polimero.
I dati di riferimento pubblicati per il dimetilsilicone illustrano la differenza. I valori variano in base alla formulazione e alle condizioni di prova, quindi la tabella è utile per un confronto relativo, non come specifica per il componente finito.
| Gas | Permeabilità × 10⁹ cm³·cm/(s·cm²·cmHg) | Diffusività × 10⁶ cm²/s | Solubilità, cm³(STP)/(cm³·atm) |
|---|---|---|---|
| Azoto | 28 | 15 | 0.15 |
| Elio | 35 | 60 | 0.045 |
| Ossigeno | 62 | 16 | 0.31 |
| Idrogeno | 65 | 43 | 0.12 |
| Metano | 95 | 13 | 0.57 |
| anidride carbonica | 323 | 11 | 2.2 |
Fonte: WL Robb, Membrane sottili di silicone: proprietà di permeazione e alcune applicazioni., Annali dell'Accademia delle Scienze di New York (1968).
Il punto pratico è semplice: il "silicone a tenuta di gas" non è un requisito completo. È necessario specificare il tipo di gas.
Il silicone è impermeabile ma permeabile ai gas?
Sì, ma solo se per "impermeabile" si intende la resistenza alla penetrazione di liquidi in massa nelle condizioni di pressione e assemblaggio specificate. L'acqua liquida non scorre attraverso il silicone intatto nello stesso modo in cui un gas permea la rete polimerica.
permeabilità al vapore acqueo è diverso. Le singole molecole di vapore possono dissolversi e diffondersi attraverso il silicone. foglio di gomma siliconica può quindi bloccare la pioggia o gli schizzi di liquidi, consentendo al contempo la trasmissione del vapore acqueo nel tempo.
Questa distinzione è importante in:
- Componenti elettronici sigillati esposti a cicli di umidità;
- cerotti indossabili che necessitano di gestione dell'umidità;
- membrane mediche e da laboratorio;
- chiusure per alimenti o prodotti farmaceutici che richiedono una barriera al vapore acqueo definita;
- Ricoveri per esterni dove il rischio effettivo è la formazione di condensa interna.
Non utilizzare i risultati ottenuti con il metodo dell'immersione in acqua come sostituto dei dati relativi alla trasmissione del vapore acqueo. Essi misurano meccanismi di trasporto differenti.
Quali gas permeano il silicone più velocemente?
In genere, l'anidride carbonica mostra un tasso di trasmissione attraverso il VMQ più elevato rispetto all'ossigeno, all'azoto, all'elio o all'idrogeno in condizioni comparabili. La sequenza dipende dal composto e dalla temperatura, ma la differenza è sufficientemente grande da influenzare le decisioni di progettazione.
Ricerca sulla struttura della membrana di silicone I risultati mostrano che i sostituenti organici lungo la catena polimerica possono modificare sostanzialmente la permeabilità all'ossigeno e all'azoto. Gruppi alchilici, arilici e trifluoropropilici più voluminosi generalmente riducono la permeabilità rispetto al dimetilsilicone, sebbene il risultato rimanga specifico per il gas e la formulazione.
| Tipo di silicone | Tendenza alla permeabilità relativa | Ragione strutturale |
|---|---|---|
| VMQ | Generalmente elevato | La struttura del dimetilsilossano mantiene un'elevata mobilità della catena e un volume libero elevato. |
| PVMQ | Spesso inferiori ai valori VMQ comparabili per gas specifici | I sostituenti fenilici modificano l'impacchettamento della catena, la solubilità e la diffusione. |
| FVMQ | Generalmente inferiore al VMQ per uso generale | I gruppi laterali fluorurati aumentano la polarità e modificano la solubilità dei gas |
Il confronto dimostra perché il termine "silicone" sia troppo generico per un disegno tecnico. VMQ, PVMQ e FVMQ non forniscono lo stesso comportamento di barriera e le classifiche qualitative non possono sostituire i dati di test specifici per ciascun composto.
Quali fattori modificano la permeabilità del silicone?
I principali fattori di controllo sono il tipo di gas, la chimica del silicone, la temperatura, lo spessore, l'area esposta e la differenza di pressione parziale. Anche la formulazione del composto e il trattamento superficiale possono essere importanti, ma il loro effetto deve essere verificato sul materiale reale. Per l'insieme più ampio delle proprietà meccaniche, termiche, elettriche e chimiche, consultare questa guida completa. proprietà della gomma siliconica.
| Variabile | Effetto sulla permeabilità o sulla trasmissione totale | Implicazione della specifica |
|---|---|---|
| Specie gassose | Modifica sia la solubilità che la diffusione | Verificare il gas o la miscela di gas effettivi |
| famiglia del silicio | FVMQ e le formulazioni modificate possono trasmettere meno gas rispetto al VMQ per uso generale | Specificare la famiglia e il grado del polimero |
| Temperatura | In generale, temperature più elevate aumentano la mobilità e la trasmissione della catena. | Eseguire la prova alla temperatura di esercizio minima e massima. |
| Spessore | Non modifica la permeabilità intrinseca; uno spessore maggiore riduce il flusso totale | Controllare lo spessore minimo finito |
| Area esposta | Non modifica la permeabilità intrinseca; una superficie maggiore aumenta il flusso totale. | Utilizzare l'area effettiva esposta nei calcoli |
| differenza di pressione parziale | Una maggiore differenza aumenta il flusso di gas | Definire la composizione e la pressione del gas su entrambi i lati |
| Riempitivi | Può aumentare la tortuosità del percorso e ridurre la diffusione | Non dare per scontato che due composti con la stessa durezza si comportino allo stesso modo. |
| Trattamento superficiale | Una superficie ossidata simile alla silice può ridurre temporaneamente la diffusione dell'ossigeno | Definire le condizioni di trattamento, invecchiamento e conservazione. |
| Densità di reticolazione | Spesso ha un effetto inferiore a quello previsto nell'ambito delle normali formulazioni a base di silicone. | Non utilizzare la durezza Shore come indicatore di permeabilità. |
Una maggiore durezza Shore riduce la permeabilità?
Non in modo affidabile. Un composto più duro può contenere diversi livelli di riempitivo o una diversa struttura di rete, ma Durezza Shore A non specifica direttamente la trasmissione del gas.
Si tratta di un errore di selezione comune. I team confrontano fogli con durezza 40 Shore A e 70 Shore A e presumono che il grado di durezza maggiore sia automaticamente la migliore barriera ai gas. Studi pubblicati sulla gomma siliconica e sul PDMS non trattato indicano che le normali variazioni della densità di reticolazione possono avere un effetto minimo rispetto alla chimica del polimero, alla solubilità dei gas, alla temperatura e ai riempitivi.
Se la permeabilità è un fattore rilevante, richiedete i dati di permeabilità o di trasmissione specifici per il composto in questione. Non deduceteli dalla durezza, dalla resistenza alla trazione o dalla deformazione permanente a compressione.
La temperatura aumenta la permeabilità del silicone?
In generale, sì. Temperature più elevate aumentano la mobilità delle catene polimeriche e la diffusività dei gas. Temperature più basse riducono il volume libero e il movimento molecolare, sebbene le transizioni di fase e la solubilità dei gas possano complicare la tendenza.
Un valore a temperatura ambiente rappresenta quindi una prova debole per una guarnizione che opera a 150 °C. Il componente potrebbe comunque conservare le sue proprietà meccaniche pur trasmettendo una quantità di gas sostanzialmente maggiore del previsto. La resistenza del materiale e le prestazioni di barriera sono requisiti distinti.
Una parete in silicone più spessa impedisce la permeazione?
Una parete più spessa riduce la velocità di trasmissione, ma non trasforma il silicone in un vero e proprio materiale barriera. In condizioni di regime stazionario, raddoppiare lo spessore dimezza approssimativamente il flusso quando materiale, gas, area, temperatura e differenza di pressione rimangono invariati.
Lo spessore aumenta anche il tempo necessario per raggiungere il flusso stazionario. Questo può far sì che un test di breve durata sembri migliore di un servizio a lungo termine. Per lo stoccaggio, il mantenimento del vuoto o il mantenimento della pressione per più giorni, la durata del test deve essere sufficientemente lunga da separare la diffusione transitoria dal comportamento allo stato stazionario.
Qual è il confronto tra VMQ, PVMQ e FVMQ?
IL famiglia di polimeri siliconici modifica sia la permeabilità che le altre proprietà che giustificavano la scelta del silicone.
| Materiale | tendenza alla permeabilità | Motivo principale per sceglierlo | Confine da controllare |
|---|---|---|---|
| VMQ | Alto | Resistenza generale al calore, flessibilità, isolamento elettrico e ampia disponibilità di processi | Scelta debole quando la ritenzione del gas è la funzione primaria |
| PVMQ | Inferiore ad alcuni gradi VMQ, ma comunque permeabile | Flessibilità a basse temperature; i gruppi fenilici sopprimono la cristallizzazione | Le prestazioni della barriera rimangono dipendenti dalla formulazione |
| FVMQ | Generalmente inferiore a VMQ o PVMQ | Migliore resistenza a carburanti, oli e solventi con ridotta trasmissione di gas | Costo, comportamento a basse temperature e proprietà meccaniche differiscono da VMQ |
| Gomma butilica | Permeabilità ai gas molto inferiore rispetto al silicone | Ritenzione di gas, camere d'aria, rivestimenti interni | Minore resistenza alle alte temperature e limiti chimici differenti |
| Laminato ingegnerizzato | Può fornire un percorso di trasmissione molto più basso | Applicazioni che richiedono superfici in silicone con prestazioni di barriera | Incollaggio, fatica da flessione, bordi, fori e complessità del processo |
Se la bassa permeabilità è il requisito principale, modificare la geometria di un componente in VMQ potrebbe essere meno efficace rispetto alla modifica del polimero o all'aggiunta di uno strato barriera. Se invece il requisito principale è un'estrema flessibilità termica, una struttura in PVMQ modificato o in materiale composito potrebbe rappresentare un compromesso migliore.
Quando è utile un'elevata permeabilità al silicone?
Un'elevata permeabilità è utile quando lo scambio gassoso controllato fa parte della funzionalità anziché rappresentare un difetto.
Tra gli esempi si annoverano membrane per l'ossigenazione, dispositivi microfluidici per la coltura cellulare, ricerca sulla separazione dei gas, componenti medici traspiranti, equalizzazione della pressione e alcune interfacce indossabili. Membrane sottili in PDMS può consentire lo scambio di ossigeno e anidride carbonica pur contenendo un mezzo liquido.
Il progetto necessita ancora di una finestra di trasmissione definita. Il termine "traspirante" non è una specifica misurabile. Il disegno o il piano di validazione devono indicare il gas, la temperatura, la differenza di pressione, l'area attiva, lo spessore e l'intervallo di flusso accettabile.
Anche la lavorazione superficiale necessita di controllo. La ricerca sul PDMS trattato con plasma di ossigeno ha rilevato che la superficie ossidata simile alla silice inizialmente riduceva la diffusione dell'ossigeno, a volte di oltre 50%, ma il PDMS standard 10:1 conservato all'aria recuperava il suo tasso di diffusione originale osservato dopo circa tre giorni. La conservazione in acqua ritardava il recupero. Fonte: Variazioni nella diffusione dei gas attraverso il PDMS.
Un trattamento che modifica la permeabilità il primo giorno potrebbe non fornire lo stesso risultato dopo la conservazione o l'uso ripetuto.
Quando il silicone non è il materiale adatto per le barriere ai gas?
Il silicone è una scelta inadeguata quando la funzione principale è quella di trattenere i gas, mantenere il vuoto, prevenire l'ossidazione o limitare l'ingresso di vapore a lungo termine. I casi di rischio tipici includono:
- Le camere d'aria pneumatiche sono progettate per mantenere la pressione per lunghi periodi;
- guarnizioni sottovuoto dove la permeazione prevale dopo che le perdite esterne sono state controllate;
- imballaggi sensibili all'ossigeno;
- contenimento di refrigeranti o gas speciali;
- sensori sigillati con limiti rigorosi di variazione dell'umidità;
- diaframmi sottili esposti a una differenza di pressione continua.
In queste applicazioni, è opportuno confrontare innanzitutto la gomma butilica, i fluoropolimeri, le barriere metalliche, i tessuti rivestiti o le strutture multistrato. Il silicone può rimanere necessario per motivi di temperatura, flessibilità, biocompatibilità o lavorazione, ma in tal caso la sua debolezza come barriera deve essere ovviata da soluzioni ingegneristiche.
Come si deve testare la permeabilità del silicone?
Utilizzare un metodo che riporti la proprietà richiesta dal progetto. ASTM D1434-23 Utilizza un metodo manometrico per determinare la velocità di trasmissione del gas, la permeabilità e, ove applicabile, la permeabilità di pellicole e fogli. ISO 15105-1:2007 Tratta le prove di pressione differenziale per pellicole e fogli di plastica; la norma ISO elenca questa edizione come corrente ma in fase di revisione a partire dal 2026.
Una specifica di test utilizzabile dovrebbe includere:
- Composto esatto e condizioni di polimerizzazione;
- spessore del campione e area esposta;
- gas bersaglio o miscela di gas definita;
- pressione e pressione parziale su entrambi i lati;
- temperatura e umidità relativa;
- Storia del trattamento e del periodo post-trattamento;
- trattamento superficiale e tempo di invecchiamento;
- durata del test e criterio di stato stazionario;
- unità richieste e limite di accettazione.
Testare il materiale o l'assemblaggio finito?
Eseguire entrambi i test quando l'applicazione è critica. Un test di permeabilità su una lastra piana isola il comportamento del materiale in massa. Un test di decadimento della pressione, con gas tracciante o con umidità su un assemblaggio finito rileva giunzioni, compressione, incollaggio, linee di separazione e geometria reale.
I due risultati non devono essere sostituiti l'uno con l'altro:
| Livello di prova | Ciò che rivela | Cosa manca |
|---|---|---|
| Coupon materiale | Trasmissione intrinseca composta in condizioni controllate | Geometria delle guarnizioni, giunzioni, variazione di stampaggio |
| Parte stampata | Effetti dello spessore effettivo, della polimerizzazione e della geometria locale | Interfacce di assemblaggio complete |
| Assemblaggio completato | Permeazione e perdite combinate in condizioni di utilizzo | Potrebbe non essere in grado di identificare quale percorso ha causato il risultato |
Per il controllo della produzione, l'ispezione dimensionale e la prova di durezza Shore non sono sufficienti quando la trasmissione del gas è una caratteristica critica per la qualità. Potrebbero essere necessari un certificato di composizione, un processo di polimerizzazione controllato e una convalida periodica della trasmissione.
Quali informazioni sono necessarie prima di specificare il silicone?
Il materiale non può essere scelto solo in base alla parola "silicone". Definisci prima il problema di trasporto:
- Quale gas o vapore deve passare o deve essere bloccato?
- Qual è la velocità di trasmissione consentita?
- Quali sono la temperatura e la pressione differenziale di esercizio?
- Quanta superficie è esposta?
- Qual è lo spessore minimo della parete o della membrana?
- Il requisito viene misurato dopo post-polimerizzazione, trattamento al plasma, sterilizzazione o invecchiamento?
- Quali requisiti meccanici, chimici e normativi impediscono l'utilizzo di un materiale a bassa permeabilità?
Se mancano questi dati, un valore di permeabilità ricavato da una scheda tecnica generica ha scarso valore. Potrebbe infatti descrivere un gas, uno spessore, un sistema di unità di misura, uno stato di polimerizzazione o una temperatura diversi. La decisione corretta non è stabilire se il silicone sia "permeabile", bensì se la trasmissione misurata, per la specifica mescola e geometria, rimanga entro i limiti del prodotto nelle sue condizioni di esercizio.
