실리콘 투과성: 기체와 증기가 실리콘 고무를 통과하는 방식

실리콘 씰은 액체 상태의 물은 차단하면서도 산소, 이산화탄소 또는 수증기는 통과시킬 수 있습니다. 이러한 겉보기 모순 때문에 밀폐형 하우징, 멤브레인 등의 사양에서 오류가 발생합니다., 실리콘 튜브, 그리고 감압 제품.

실리콘의 투과성은 비교적 높은데, 이는 기체 분자가 엘라스토머에 용해되어 움직이는 실록산 사슬 사이의 자유 공간을 통해 확산되기 때문입니다. 실리콘은 액체에 대한 저항성은 있지만, 기체나 증기를 자동으로 차단하는 것은 아닙니다.

이 글에서는 재료의 특성, 전송률에 영향을 미치는 변수, 그리고 엔지니어가 실리콘 화합물을 선택하기 전에 정의해야 할 한계에 대해 설명합니다.

실리콘 투과성이란 무엇인가요?

실리콘 투과성은 특정 조건 하에서 특정 기체 또는 증기가 실리콘을 통과하는 속도입니다. 이는 재료 자체의 특성이며, 틈새, 분할선, 손상된 밀봉 또는 압축 불량으로 인한 누출과는 다릅니다. 실리콘 O링.

투과는 세 단계로 진행됩니다.

1. 가스는 실리콘의 고압 쪽에 용해됩니다.
2. 분자는 고분자 네트워크 내의 자유 공간을 통해 확산됩니다.
3. 가스가 저압면에서 빠져나간다.

균일한 막이 정상 상태에 있을 경우, 관계식은 다음과 같이 단순화될 수 있습니다.

가스 흐름 ∝ 투과율 × 면적 × 압력차 ÷ 두께

이 방정식은 흔히 혼용되는 두 용어를 구분합니다.

측정된 밀폐 공간 누출률이 낮다고 해서 장기간 가스 투과가 무시할 수 있을 정도로 미미하다는 것을 의미하지는 않습니다. 누출 테스트와 투과성 테스트는 서로 다른 질문에 대한 답을 제공합니다.

실리콘 고무가 투과성이 높은 이유는 무엇일까요?

실리콘 고무 유연성을 가지고 있습니다 –Si–O–Si– 골격 구조, 낮은 분자간 힘, 높은 사슬 이동성. 이러한 특성으로 인해 많은 탄화수소 고무 및 열가소성 수지보다 더 많은 일시적인 자유 부피가 생성됩니다. 기체 분자는 하나의 일시적인 틈새에서 다른 틈새로 이동할 수 있습니다.

투과율은 두 가지 물질 상호작용의 결과입니다.

P = D × S

• P 투과성입니다.
• 디 는 확산 계수입니다.
• S 고분자 내 기체 용해도입니다.

분자 크기는 확산에 영향을 미치지만, 크기만으로 결과가 결정되는 것은 아닙니다. 기체-고분자 용해도가 중요한 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어, 이산화탄소는 디메틸실리콘에 대한 용해도가 다른 작은 기체보다 훨씬 높기 때문에 디메틸실리콘을 더 빠르게 투과할 수 있습니다.

디메틸실리콘에 대한 공개된 참고 자료는 그 차이를 보여줍니다. 값은 배합 및 시험 조건에 따라 달라지므로, 이 표는 상대적인 비교를 위한 것이며 완제품 사양으로 사용할 수는 없습니다.

원천: WL 롭, 얇은 실리콘 멤브레인 - 투과 특성 및 몇 가지 응용 분야, 뉴욕 과학 아카데미 연보 (1968).

실질적인 요점은 간단합니다. "기밀성 실리콘"은 필수 조건이 아닙니다. 가스의 종류를 명시해야 합니다.

실리콘은 방수 기능이 있으면서 가스는 투과시키나요?

네, 하지만 "방수"라는 것이 지정된 압력 및 조립 조건 하에서 액체가 대량으로 침투하지 않는다는 것을 의미하는 경우에만 해당됩니다. 액체 상태의 물은 기체가 고분자 네트워크를 통과하는 방식과는 달리 손상되지 않은 실리콘을 통해 흐르지 않습니다.

수증기 투과율 다릅니다. 개별 증기 분자는 실리콘에 용해되어 확산될 수 있습니다. 실리콘 고무 시트 따라서 시간이 지남에 따라 비나 액체가 튀는 것을 막으면서 수분 증기는 통과시킬 수 있습니다.

이러한 차이점은 다음과 같은 점에서 중요합니다.

• 습도 변화에 노출되는 밀폐형 전자제품;
• 수분 관리가 필요한 착용형 패치;
• 의료 및 실험실용 멤브레인;
• 특정 수증기 차단막이 필요한 식품 또는 의약품 밀봉 용기;
• 실외 하우징은 내부 결로가 실제 위험 요소입니다.

물에 담그는 실험 결과를 수증기 투과 데이터 대신 사용하지 마십시오. 두 실험은 서로 다른 전달 메커니즘을 측정합니다.

실리콘에 가장 빨리 침투하는 기체는 무엇입니까?

이산화탄소는 일반적으로 유사한 조건에서 산소, 질소, 헬륨 또는 수소보다 VMQ를 통한 투과율이 더 높습니다. 투과 순서는 화합물과 온도에 따라 달라지지만, 그 차이는 설계 결정에 영향을 미칠 만큼 충분히 큽니다.

실리콘 멤브레인 구조에 대한 연구 이 연구는 고분자 사슬을 따라 존재하는 유기 치환기가 산소 및 질소 투과성을 상당히 변화시킬 수 있음을 보여줍니다. 일반적으로 크기가 큰 알킬, 아릴 및 트라이플루오로프로필 그룹은 디메틸 실리콘에 비해 투과성을 감소시키지만, 그 결과는 가스 종류 및 제형에 따라 달라집니다.

이 비교를 통해 "실리콘"이라는 용어가 기술 도면에 사용하기에는 너무 포괄적인 이유를 알 수 있습니다. VMQ, PVMQ 및 FVMQ는 동일한 차단 특성을 제공하지 않으며, 정성적 순위는 화합물별 시험 데이터를 대체할 수 없습니다.

실리콘 투과성을 변화시키는 요인은 무엇일까요?

가장 중요한 제어 요소는 가스 종류, 실리콘 화학 조성, 온도, 두께, 노출 면적 및 부분 압력 차이입니다. 화합물 조성 및 표면 처리 또한 중요할 수 있지만, 그 효과는 실제 재료에서 검증해야 합니다. 보다 광범위한 기계적, 열적, 전기적 및 화학적 특성 범위에 대해서는 이 종합 가이드를 참조하십시오. 실리콘 고무의 특성.

쇼어 경도가 높을수록 투수율은 감소합니까?

확실하지 않습니다. 더 단단한 화합물은 다른 충전제 함량이나 다른 네트워크 구조를 포함할 수 있지만, 쇼어 A 경도 가스 전송에 대해 직접적으로 명시되어 있지 않습니다.

이는 흔히 발생하는 선택 오류입니다. 팀들은 경도 40 Shore A와 70 Shore A 시트를 비교하면서 경도가 더 높은 시트가 자동으로 더 나은 가스 차단성을 제공한다고 가정합니다. 실리콘 고무와 미처리 PDMS에 대한 연구 결과에 따르면, 가교 밀도의 일반적인 변화는 고분자 화학, 가스 용해도, 온도 및 충전제에 비해 가스 차단성에 미치는 영향이 미미할 수 있습니다.

투과성이 중요한 경우, 해당 화합물의 정확한 투과성 또는 투과율 데이터를 요청하십시오. 경도, 인장 강도 또는 압축 영구 변형률에서 투과성을 추정하지 마십시오.

온도가 실리콘 투과성을 증가시키나요?

일반적으로 그렇습니다. 온도가 높을수록 고분자 사슬의 이동성과 기체 확산성이 증가합니다. 온도가 낮을수록 자유 부피와 분자 운동이 감소하지만, 상전이 및 기체 용해도에 따라 이러한 경향이 복잡해질 수 있습니다.

따라서 상온에서의 값은 150°C에서 밀봉재가 제대로 작동한다는 것을 입증하는 데 있어 미약한 근거가 됩니다. 해당 부품은 예상보다 훨씬 많은 가스를 투과시키면서도 기계적 특성을 유지할 수 있습니다. 재료의 내구성과 차단 성능은 별개의 요구 사항입니다.

더 두꺼운 실리콘 벽은 침투를 막을 수 있을까요?

벽 두께가 두꺼워지면 투과율은 감소하지만, 실리콘이 진정한 차단재가 되는 것은 아닙니다. 정상 상태 조건에서 재질, 기체, 면적, 온도 및 압력 차이가 일정하게 유지될 때 두께를 두 배로 늘리면 투과량은 대략 절반으로 줄어듭니다.

두께가 증가하면 정상 유동 상태에 도달하는 데 필요한 시간도 늘어납니다. 이로 인해 단기 테스트 결과가 장기 사용 결과보다 더 좋게 보일 수 있습니다. 보관, 진공 유지 또는 장기간 압력 유지와 같은 경우에는 과도 확산과 정상 상태 거동을 구분할 수 있도록 테스트 기간이 충분히 길어야 합니다.

VMQ, PVMQ, FVMQ는 어떻게 비교되나요?

그만큼 실리콘 폴리머 계열 투과성 및 실리콘을 선택한 이유가 되는 기타 특성들이 모두 변화합니다.

낮은 투과성이 최우선 요구 사항이라면 VMQ 부품의 형상을 변경하는 것보다 폴리머 종류를 바꾸거나 차단층을 추가하는 것이 더 효과적일 수 있습니다. 극한 온도에서의 유연성이 최우선 요구 사항이라면, 변형된 PVMQ 또는 복합재 구조가 더 나은 절충안이 될 수 있습니다.

실리콘 투과성이 높은 것이 유용한 경우는 언제일까요?

높은 투과성은 제어된 가스 교환이 결함이 아니라 기능의 일부일 때 유용합니다.

예시로는 산소 공급 멤브레인, 미세유체 세포 배양 장치, 가스 분리 연구, 통기성 의료 부품, 압력 평형 및 일부 웨어러블 인터페이스 등이 있습니다. 얇은 PDMS 막 액체 매체를 담고 있으면서 산소와 이산화탄소 교환을 허용할 수 있습니다.

설계에는 여전히 명확한 투과율 범위가 필요합니다. "통기성"은 측정 가능한 사양이 아닙니다. 도면 또는 검증 계획에는 가스 종류, 온도, 압력 차이, 활성 영역, 두께 및 허용 유량 범위를 명시해야 합니다.

표면 처리에도 제어가 필요합니다. 산소 플라즈마 처리된 PDMS에 대한 연구에 따르면 산화된 실리카 유사 표면은 초기에는 산소 확산을 감소시켰는데, 때로는 50% 이상 감소시키기도 했습니다. 그러나 공기 중에 보관된 표준 10:1 PDMS는 약 3일 후 원래의 확산 속도를 회복했습니다. 물속에 보관하면 회복이 지연되었습니다. 출처: PDMS를 통한 기체 확산의 변화.

첫날 투과성을 변화시키는 치료법이라 하더라도 보관 후 또는 반복 사용 후에는 동일한 결과를 제공하지 못할 수 있습니다.

실리콘이 가스 차단재로 적합하지 않은 경우는 언제일까요?

실리콘은 가스 유지, 진공 유지, 산화 방지 또는 장기간 증기 침투 제한이 주된 기능인 경우 적합하지 않은 재료입니다. 일반적인 위험 사례는 다음과 같습니다.

• 장기간 압력을 유지할 것으로 예상되는 공기 주머니;
• 외부 누출이 제어된 후 투과가 지배적인 진공 밀봉;
• 산소에 민감한 포장재;
• 냉매 또는 특수 가스 저장 용기;
• 습도 변화에 대한 엄격한 제한이 있는 밀폐형 센서;
• 얇은 막이 지속적인 압력 차이에 노출됩니다.

이러한 응용 분야에서는 먼저 부틸 고무, 불소수지, 금속 차단막, 코팅 직물 또는 다층 구조를 비교해 보십시오. 실리콘은 온도, 유연성, 생체 적합성 또는 가공성 등의 이유로 여전히 필요할 수 있지만, 이 경우 실리콘의 차단 성능 부족을 보완하는 설계가 필요합니다.

실리콘 투과성은 어떻게 테스트해야 할까요?

설계에서 요구하는 속성을 보고하는 메서드를 사용하십시오. ASTM D1434-23 압력 측정법을 사용하여 가스 투과율, 투과도, 그리고 해당되는 경우 필름 및 시트의 투과성을 측정합니다. ISO 15105-1:2007 이 표준은 플라스틱 필름 및 시트의 차압 시험을 다루며, ISO는 이 버전을 최신 버전으로 명시하고 있지만 2026년 기준으로 개정될 예정입니다.

실용적인 테스트 명세에는 다음 사항이 포함되어야 합니다.

• 정확한 화합물 및 경화 조건;
• 시편 두께 및 노출 면적;
• 목표 가스 또는 정의된 가스 혼합물;
• 양측의 압력 및 부분 압력;
• 온도 및 상대 습도;
• 치료 과정 및 치료 후 경과;
• 표면 처리 및 숙성 시간;
• 시험 기간 및 정상 상태 기준;
• 필수 단위 및 허용 한도.

재료를 테스트할 것인가, 아니면 완성된 조립품을 테스트할 것인가?

적용 분야가 중요한 경우에는 두 가지 테스트 모두 실시해야 합니다. 평판 투과성 테스트는 벌크 재료의 거동을 파악하는 데 유용합니다. 완성된 조립품에 대한 압력 감소, 추적 가스 또는 습도 테스트는 접합부, 압축, 접착, 분할선 및 실제 형상을 측정하는 데 도움이 됩니다.

두 결과는 서로 대체될 수 없습니다.

생산 관리에서 가스 투과율이 품질에 중요한 특성일 경우, 치수 검사 및 쇼어 경도 시험만으로는 충분하지 않습니다. 화합물 인증서, 제어된 경화 공정 및 주기적인 투과율 검증이 필요할 수 있습니다.

실리콘을 지정하기 전에 어떤 정보가 필요합니까?

"실리콘"이라는 단어만으로는 재료를 선택할 수 없습니다. 먼저 운송 문제를 정의하십시오.

• 어떤 기체나 증기가 통과해야 하고, 어떤 기체나 증기가 차단되어야 합니까?
• 허용되는 전송 속도는 얼마입니까?
• 작동 온도와 압력 차이는 얼마입니까?
• 노출된 표면적은 얼마나 됩니까?
• 최소 벽 두께 또는 막 두께는 얼마입니까?
• 해당 요구사항은 후처리, 플라즈마 처리, 멸균 또는 노화 후에 측정되는 것입니까?
• 어떤 기계적, 화학적, 규제적 요건 때문에 투과성이 낮은 재료를 사용할 수 없는 것입니까?

이러한 입력값이 누락된 경우, 일반적인 데이터시트에 나와 있는 투과율 수치는 거의 의미가 없습니다. 해당 수치는 다른 가스, 두께, 단위 시스템, 경화 상태 또는 온도를 나타낼 수 있습니다. 올바른 판단은 실리콘이 "투과성"인지 여부가 아니라, 정확한 화합물과 형상에 대한 측정된 투과율이 사용 조건 전반에 걸쳐 제품의 허용 한계 내에 유지되는지 여부입니다.