シリコーンシールは液体の水は遮断できますが、酸素、二酸化炭素、または水蒸気は通過させることができます。この明らかな矛盾により、密閉ハウジング、メンブレン、, シリコンチューブ, および感圧製品。.
シリコーンの透過性は比較的高い。これは、ガス分子がエラストマーに溶解し、可動性のシロキサン鎖間の自由体積を通って拡散するためである。シリコーンは液体に対する耐性があるが、必ずしもガスや蒸気に対するバリア性を持つわけではない。.
この記事では、シリコーン化合物の材料特性、透過率を変化させる変数、およびエンジニアがシリコーン化合物を選択する前に定義すべき限界値について説明します。.
シリコーンの透過性とは何ですか？
シリコーンの透過性とは、特定の条件下で特定のガスまたは蒸気がシリコーンを通過する速度のことです。これはバルク材料の特性であり、隙間、パーティングライン、損傷したシール、または圧縮不良からの漏れとは異なります。 シリコンOリング.
浸透は3つの段階で起こる。
- ガスはシリコーンの高圧側に溶解する。.
- 分子はポリマーネットワーク内の自由体積を拡散する。.
- ガスは低圧面から放出される。.
定常状態における均質な膜の場合、その関係は次のように単純化できる。
ガス流量 ∝ 透過率 × 面積 × 圧力差 ÷ 厚さ
この方程式は、しばしば混同される2つの項を分離するものです。
| 学期 | それが説明する内容 | 形状はそれに影響しますか？ |
|---|---|---|
| 透過性 | 特定の物質、気体、温度に固有の性質 | いいえ、正しく正規化すれば |
| 透過性 | 透過率÷膜厚 | はい |
| ガス輸送速度 | 一定時間内に特定の試料を通過するガス量 | はい、面積と厚さは重要です |
| 漏洩率 | 開口部、界面、またはシール欠陥を通る流れ | 主にシール設計と欠陥によって制御される |
測定された筐体漏洩率が低いからといって、長期的なガス透過が無視できるほど小さいとは限らない。漏洩試験と透過性試験は、それぞれ異なる疑問に答えるものである。.
シリコーンゴムはなぜ高い透過性を持つのか？
シリコンゴム 柔軟性がある –Si–O–Si– 主鎖構造、低い分子間力、高い鎖可動性。これらの特性により、多くの炭化水素系ゴムや熱可塑性樹脂よりも多くの一時的な自由体積が生じる。ガス分子は、ある一時的な開口部から別の開口部へと移動することができる。.
透過性は、2つの物質相互作用の産物である。
P = D × S
P透過性です。.だは拡散係数です。.Sこれはポリマー中のガスの溶解度です。.
分子サイズは拡散に影響を与えるが、サイズだけで結果が決まるわけではない。ガスとポリマーの溶解度が支配的になる場合もある。例えば、二酸化炭素はジメチルシリコーンへの溶解度がはるかに高いため、より小さなガスよりも速くジメチルシリコーンを透過することができる。.
ジメチルシリコーンに関する公表されている参考データは、その違いを明確に示している。値は配合や試験条件によって異なるため、この表は相対的な比較には役立つが、完成品の仕様として用いるべきではない。.
| ガス | 透過率 × 10⁹ cm³·cm/(s·cm²·cmHg) | 拡散率 × 10⁶ cm²/s | 溶解度、cm³(STP)/(cm³·atm) |
|---|---|---|---|
| 窒素 | 28 | 15 | 0.15 |
| ヘリウム | 35 | 60 | 0.045 |
| 酸素 | 62 | 16 | 0.31 |
| 水素 | 65 | 43 | 0.12 |
| メタン | 95 | 13 | 0.57 |
| 二酸化炭素 | 323 | 11 | 2.2 |
ソース： WL ロブ、, 薄いシリコーン膜―その透過特性といくつかの応用例, ニューヨーク科学アカデミー紀要 (1968).
実用的なポイントは単純だ。「気密性の高いシリコーン」だけでは十分ではない。気体の種類を特定する必要がある。.
シリコンは防水性がありながら、ガス透過性もあるのでしょうか？
はい、ただし「防水」が、指定された圧力および組み立て条件下での液体の浸透に対する耐性を意味する場合に限ります。液体の水は、気体がポリマーネットワークを透過するのと同じように、損傷のないシリコーンを透過することはありません。.
水蒸気透過率 異なる。個々の蒸気分子はシリコーンに溶解し拡散することができる。 シリコンゴムシート そのため、時間の経過とともに雨や液体の飛沫を遮断しつつ、水蒸気の透過を可能にする可能性がある。.
この区別は、以下の点で重要です。
- 湿度変化にさらされる密閉型電子機器。;
- 吸湿管理が必要なウェアラブルパッチ。;
- 医療用および実験室用膜。;
- 特定の水蒸気バリアを必要とする食品または医薬品の蓋。;
- 屋外の住宅では、内部結露が実際のリスクとなる。.
水浸漬試験の結果を水蒸気透過率データの代わりとして使用しないでください。これらは異なる輸送メカニズムを測定しています。.
シリコーンを最も速く透過するガスはどれか？
二酸化炭素は、同等の条件下では、酸素、窒素、ヘリウム、水素よりもVMQ透過率が高いことが一般的である。透過率の順序は化合物や温度によって異なるが、その差は設計上の決定に影響を与えるほど大きい。.
シリコーン膜構造に関する研究 ポリマー鎖に沿った有機置換基が酸素および窒素の透過性を大きく変化させることが示されている。アルキル基、アリール基、およびトリフルオロプロピル基が大きいほど、ジメチルシリコーンに比べて透過性は一般的に低下するが、その結果はガス種や配合によって異なる。.
| シリコンタイプ | 相対透過率傾向 | 構造的な理由 |
|---|---|---|
| VMQ | 一般的に高い | ジメチルシロキサン構造は高い鎖運動性と自由体積を維持する |
| PVMQ | 特定のガスの同等のVMQよりも低い場合が多い | フェニル置換基は鎖のパッキング、溶解性、拡散性を変化させる |
| FVMQ | 一般的に汎用VMQよりも低い | フッ素化された側鎖は極性を高め、ガスの溶解度を変化させる。 |
この比較から、「シリコーン」という用語が技術図面には広すぎる理由がわかる。VMQ、PVMQ、FVMQは同じバリア特性を示さないため、定性的な順位付けでは化合物固有の試験データに取って代わることはできない。.
シリコーンの透過性を変化させるものは何か？
最大の制御要因は、ガスの種類、シリコーンの化学組成、温度、厚さ、露出面積、および分圧差です。化合物の配合と表面処理も重要となる場合がありますが、その影響は実際の材料で確認する必要があります。より広範な機械的、熱的、電気的、および化学的特性の範囲については、この完全なガイドを参照してください。 シリコーンゴムの特性.
| 変数 | 透過性または総透過率への影響 | 仕様への影響 |
|---|---|---|
| ガス種 | 溶解度と拡散の両方を変化させる | 実際のガスまたは混合ガスをテストする |
| シリコーンファミリー | FVMQおよび改良製剤は、汎用VMQよりもガス透過量が少ない。 | ポリマーの種類とグレードを指定してください。 |
| 温度 | 一般的に、高温になるとチェーンの可動性と伝達効率が向上します。 | 最低および最高使用温度での試験 |
| 厚さ | 固有透過性は変化しない。厚みが増すと総流量が減少する。 | 最小仕上がり厚さを制御する |
| 露出部分 | 固有透過性は変化しない。面積が大きくなると総流量が増加する。 | 計算には有効露出面積を使用してください。 |
| 分圧差 | 差が大きいほどガス流量が増加する | 両側のガス組成と圧力を定義する |
| フィラー | 経路の曲がりくねり度を高め、拡散を減少させることができる | 同じ硬度を持つ2つの化合物が同じように振る舞うとは限らない。 |
| 表面処理 | シリカのような酸化表面は、酸素拡散を一時的に抑制することができる。 | 処理、熟成、保管条件を定義する |
| 架橋密度 | 通常のシリコーン配合範囲内では、期待される効果よりも効果が低い場合が多い。 | ショア硬度を透水性の指標として使用しないでください |
ショア硬度が高いほど透水性は低下するのか？
必ずしもそうとは限りません。より硬い化合物は、異なる充填剤レベルや異なるネットワーク構造を含む可能性がありますが、 ショアA硬度 ガス輸送については直接規定していない。.
これはよくある選択ミスです。チームは40ショアAと70ショアAのシートを比較し、硬度が高いほどガスバリア性が優れていると自動的に考えてしまいます。シリコーンゴムや未処理PDMSに関する既発表の研究によると、架橋密度の通常の変化は、ポリマーの化学組成、ガス溶解度、温度、充填剤などに比べてほとんど影響がないことが示されています。.
透過性が重要な場合は、正確な化合物の透過率または透過率データを要求してください。硬度、引張強度、または圧縮永久歪みから推測しないでください。.
温度上昇はシリコーンの透過性を高めるのか？
概ねその通りです。温度が高くなると、ポリマー鎖の運動性とガス拡散率が高まります。温度が低くなると、自由体積と分子運動が減少しますが、相転移やガスの溶解度によってこの傾向は複雑になる場合があります。.
したがって、室温での値は、シールが150℃で動作するという証拠としては不十分である。部品は、予想よりもはるかに多くのガスを透過させながらも、機械的特性を維持している可能性がある。材料の耐久性とバリア性能は、別個の要件である。.
シリコン壁を厚くすれば、浸透を防ぐことができるのか？
壁を厚くすると透過率は低下しますが、シリコーンが真のバリア材になるわけではありません。定常状態では、材料、ガス、面積、温度、圧力差が一定であれば、厚さを2倍にすると透過流束は約半分になります。.
厚みが増すと、定常流に達するまでの時間も長くなります。そのため、短時間の試験結果が長期使用の結果よりも良く見える場合があります。保管、真空保持、または複数日間の圧力保持においては、過渡拡散と定常状態の挙動を区別するために、試験期間を十分に長くする必要があります。.
VMQ、PVMQ、FVMQの比較は？
の シリコーンポリマーファミリー シリコーンを選択する理由となった透過性とその他の特性の両方が変化する。.
| 材料 | 透過傾向 | それを選んだ主な理由 | 確認すべき境界線 |
|---|---|---|---|
| VMQ | 高い | 一般的な耐熱性、柔軟性、電気絶縁性、および幅広い加工性 | ガス保持が主な機能である場合、これは不適切な選択である。 |
| PVMQ | VMQグレードの一部よりは低いが、それでも透水性がある | 低温での柔軟性；フェニル基が結晶化を抑制する | バリア性能は製剤に依存する |
| FVMQ | 一般的にVMQまたはPVMQよりも低い値 | 燃料、オイル、溶剤に対する耐性が向上し、ガス透過が低減されます。 | コスト、低温挙動、機械的特性はVMQとは異なる |
| ブチルゴム | シリコーンよりもはるかに低いガス透過性 | ガス貯留、ブラダー、インナーライナー | 高温耐性の低下と異なる化学的限界 |
| エンジニアードラミネート | より低い伝送経路を提供できる | シリコーン表面とバリア性能を必要とする用途 | 接合、屈曲疲労、エッジ、ピンホール、およびプロセスの複雑さ |
低透過性が第一の要件である場合、VMQ部品の形状を変更するよりも、ポリマーの種類を変更したり、バリア層を追加したりする方が効果的かもしれません。極端な温度変化への対応力が第一の要件である場合は、改良型PVMQまたは複合材構造の方がより良い妥協案となるでしょう。.
シリコーンの高い透過性はどのような場合に役立つのか？
高い透過性は、制御されたガス交換が欠陥ではなく機能の一部である場合に有用である。.
例としては、酸素供給膜、マイクロ流体細胞培養装置、ガス分離研究、通気性のある医療機器、圧力均等化装置、および一部のウェアラブルインターフェースなどが挙げられる。. 薄いPDMS膜 液体媒体を含みながら、酸素と二酸化炭素の交換を可能にする。.
設計には、明確な透過範囲が必要です。「通気性」は測定可能な仕様ではありません。図面または検証計画には、ガス、温度、圧力差、有効面積、厚さ、および許容流量範囲を明記する必要があります。.
表面処理も制御が必要です。酸素プラズマ処理したPDMSに関する研究では、酸化シリカ状表面は当初酸素拡散を減少させ（場合によっては50%以上）、空気中に保管した標準的な10:1 PDMSは、約3日後に元の拡散速度に回復することが分かりました。水中での保管は回復を遅らせました。出典： PDMSを介したガスの拡散における変動.
初日に透過性を変化させる処理であっても、保管後や繰り返し使用後には同じ効果が得られない可能性がある。.
シリコーンはどのような場合にガスバリア材として不適切となるのか？
シリコーンは、ガスの保持、真空状態の維持、酸化の防止、または長期的な蒸気侵入の抑制を主な機能とする場合、適切な選択肢とは言えません。典型的なリスク事例としては、以下のようなものがあります。
- 長期間にわたって圧力を保持することが期待される空気圧式ブラダー。;
- 外部からの漏れを制御した後に透過が支配的となる真空シール。;
- 酸素に敏感な包装材。;
- 冷媒または特殊ガスの封じ込め。;
- 湿度ドリフト制限が厳格な密閉型センサー。;
- 薄いダイヤフラムが連続的な圧力差にさらされる。.
これらの用途では、まずブチルゴム、フッ素樹脂、金属バリア、コーティングされた布地、または多層構造を比較検討します。シリコーンは、温度、柔軟性、生体適合性、または加工性などの理由から必要となる場合がありますが、そのバリア性の弱点を克服するための設計が必要となります。.
シリコーンの透過性はどのように試験すべきか？
設計で要求される特性を報告する方法を使用してください。. ASTM D1434-23 マノメトリー法を用いて、フィルムやシートのガス透過率、透過性、および該当する場合は透過率を測定する。. ISO 15105-1:2007 プラスチックフィルムおよびシートの差圧試験を対象としており、ISOは2026年現在、この版を最新版として掲載しているが、改訂中である。.
実用的なテスト仕様には以下が含まれるべきである。
- 正確な配合と硬化条件。;
- 試料の厚さおよび露出面積。;
- 対象ガスまたは規定ガス混合物;
- 両側の圧力と分圧。;
- 気温と相対湿度;
- 治療前処置および治療後の経過履歴。;
- 表面処理と経時変化時間。;
- 試験期間と定常状態基準。;
- 必要単位数および合格基準値。.
材料をテストするのか、それとも完成したアセンブリをテストするのか？
用途が重要な場合は、両方の試験を実施してください。平板透過性試験では、バルク材料の挙動を分離して評価できます。完成品の圧力減衰試験、トレーサーガス試験、または湿度試験では、接合部、圧縮、接着、パーティングライン、および実際の形状を把握できます。.
この2つの結果は互いに置き換えてはいけません。
| テストレベル | それが明らかにするもの | 欠けているもの |
|---|---|---|
| 材料サンプル | 制御された条件下での固有の複合伝達 | シール形状、ジョイント、成形バリエーション |
| 成形部品 | 実際の厚み、硬化、および局所的な形状の影響 | 完全なアセンブリインターフェース |
| 組み立て完了 | 使用条件下における透過と漏洩の複合 | 結果を引き起こした経路を特定できない場合があります |
生産管理において、ガス透過性が品質に大きく影響する特性である場合、寸法検査とショア硬度試験だけでは不十分です。配合証明書、制御された硬化プロセス、および定期的な透過性検証が必要となる場合があります。.
シリコーンを指定する前に必要な情報は何ですか？
材料は「シリコーン」という単語だけでは選べません。まず輸送問題を定義する必要があります。
- どの気体または蒸気を通過させるべきか、あるいは遮断すべきか？
- 許容される伝送速度はどれくらいですか？
- 動作温度と圧力差はどれくらいですか？
- 露出している表面積はどれくらいですか？
- 壁または膜の最小厚さはどれくらいですか？
- その要求値は、後硬化、プラズマ処理、滅菌、または経年劣化後の状態で測定されたものですか？
- どのような機械的、化学的、および規制上の要件が、低透水性材料の使用を妨げているのか？
これらの入力情報が欠けている場合、一般的なデータシートに記載されている透過率の値はほとんど意味がありません。それは、異なるガス、厚さ、単位系、硬化状態、または温度を表している可能性があるからです。正しい判断基準は、シリコーンが「透過性」であるかどうかではなく、正確な化合物と形状における測定された透過率が、使用条件下において製品の許容範囲内に収まっているかどうかです。.
