Cao Su Silicone
Công thức hóa học của loại cao su silicone đơn giản nhất là polydimethylsiloxane (MQ) được thể hiện bên dưới.
Trong công thức này, do liên kết Si-O (444 kJ/mol) bền hơn liên kết C-C (356 kJ/mol) làm cho cao su silicone có tính kháng nhiệt độ cao tốt hơn các loại cao su hữu cơ truyền thống. Bên cạnh đó, mạch chính cao su silicone không có các liên kết đôi chưa bão hòa làm cao su silicone trơ, kháng tốt với các yếu tố môi trường như oxy, ozon, ánh sáng mặt trời. Ngoài ra, do năng lượng quay tự do của liên kết Si-O thấp tạo nên tính mềm dẻo cho cao su silicone chưa gia công.
Thực tế, các mạch phân tử polysiloxane được biến tính, thêm vào các nhánh bên để đạt được những tính chất nhất định cho các ứng dụng riêng biệt. Nhìn chung, methyl, vinyl, phenyl và trifluoropropyl là các nhóm nhánh thông dụng nhất tạo thành các sản phẩm polysiloxane thương mại khác nhau.
Sự kết hợp của các nhóm vinyl (ít hơn 1% mol) như nhánh bên của chuỗi phân tử polysiloxane (loại VMQ) tăng đáng kể hiệu quả kết mạng với các peroxide hữu cơ. Điều này giúp loại VMQ có tính biến dạng dư thấp và tính kháng dầu nóng cải thiện so với loại MQ. Nhánh vinyl có thể được kết hợp vào mạch chính ở những vị trí nhất định, giúp kiểm soát các liên kết mạng, tính chất cơ lý của sản phẩm tốt hơn và ổn định trong thời gian dài. Ngày nay, hầu hết các loại cao su silicone thương mại đều chứa một lượng đơn vị vinyl nhất định.
Tương tự, việc thế một phần các nhóm methyl (5 tới 10%) bằng các nhóm phenyl (loại PMQ) sẽ giúp cao su silicone cải thiện tính kháng nhiệt độ thấp. Một loại cao su silicone khác là fluorosilicone, các nhánh trifluoropropyl được gắn vào chuỗi polydimethylsiloxane mang lại tính phân cực cho cao su silicone, giúp kháng được nhiên liệu, dầu mỡ và dung môi.
Tham khảo từ tài liệu Rubber Technologist’s Handbook (Volume 2), J. White, S.K. De và K. Naskar, Smithers Rapra Press, 2009, trang 381 – 384
Tính chất hóa lý của cao su silicone
Nhìn chung, cơ tính của cao su silicone tương đối kém. Độ bền kéo của chúng phụ thuộc nhiều vào chất độn silica gia cường nhưng rất khó để nâng độ bền kéo của cao su silicone trên 15 MPa. Tuy vậy trong các ứng dụng nhiệt độ cao, sự duy trì độ bền kéo của cao su silicone tốt hơn rất nhiều so với cao su thiên nhiên và các loại cao su tổng hợp khác. Độ bền xé và độ mỏi của cao su silicone nhìn chung thấp. Độ bền xé được cải thiện đáng kể bằng cách thay đổi sự phân bố liên kết mạng, bề mặt silica và cấu trúc phân tử của polymer silicone. Ngoài ra, cao su silicone thể hiện sự biến dạng dư sau nén thấp trong một dãy rộng nhiệt độ. Nhờ nhiều cải tiến, cao su silicone giờ đây có độ bền tương đối, được sử dụng trong các ứng dụng động học thông thường, không quá khắc nghiệt.
Đặc tính vốn có của chuỗi polymer silicone, liên kết‘Si-O-Si’ uốn dẻo, ổn định cao dẫn đến sự duy trì nhiều tính chất mong muốn trong một khoảng nhiệt độ rộng. Tính kháng nhiệt và tuổi thọ dự tính của các loại cao su silicone phụ thuộc vào nhiệt độ mà chúng tiếp xúc, nhiệt độ tiếp xúc càng cao thì tuổi thọ dự tính càng thấp. Cao su silicone thể hiện tính năng lâu hơn và tốt hơn ở nhiệt độ cao so với hầu hết các loại cao su hữu cơ khác. Tính kháng lạnh của cao su silicone phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của nó. Cao su silicone loại MQ và VMQ có thể chịu được nhiệt độ khoảng -55 oC, trong khi cao su silicone chứa nhóm phenyl, PMQ và PVMQ, có thể chịu được tới khoảng -90 oC.
Tham khảo từ tài liệu Rubber Technologist’s Handbook (Volume 2), J. White, S.K. De và K. Naskar, Smithers Rapra Press, 2009, trang 387 – 388
Giới thiệu thêm về cao su silicone
Cao su silicon (MQ, VMQ, FVMQ, PVMQ)
Tổng quan
Cao su silicone chứa đơn vị dimethyl siloxane như sau:
Tại đây chúng ta chỉ xem xét các loại cao su có thể cán luyện được, nhìn chung chứa 5,000 – 9,000 đơn vị dimethyl siloxane.
Các polymer chỉ chứa đơn vị lặp lại như trên được gọi là methyl silicone, và theo hệ thống tên gọi ISO là MQ.
Có thể thay thế một vài nhóm methyl (<0.5%) bằng nhóm vinyl, và vinyl methyl silicone được tạo thành (theo hệ thống tên gọi ISO là VMQ) có những tính chất lưu hóa được cải thiện và biến dạng nén ít hơn.
Việc thay thế 5 – 10% nhóm methyl trên nguyên tử silic bằng nhóm phenyl giúp cho polymer thể hiện những tính chất nổi bật ở nhiệt độ thấp.
Nhiệt độ giòn xấp xỉ khoảng -117oC có thể đạt được khi so sánh với khoảng -70oC của các loại VMQ.
Tên gọi ISO cho các loại silicone được biến tính bằng nhóm phenyl là PMQ, hoặc là PVMQ nếu loại này được biến tính cùng lúc bằng nhóm vinyl.
Để cải thiện tính kháng dung môi của polymer, một nhóm fluoroankyl có thể thay thế cho một nhóm methyl trên mỗi nguyên tử silic, polymer tạo thành (theo hệ thống tên gọi ISO là FMQ hoặc FVMQ) có đơn vị lặp lại như sau.
Cao su silicone thể hiện tính chống lão hóa nhiệt tốt và có thể được xem xét sử dụng tới nhiệt độ 200oC.
Mặc dù silicone không thể hiện cường lực cao ở nhiệt độ phòng, nhưng chúng duy trì những tính chất ở nhiệt độ cao tốt hơn rất nhiều so với các loại cao su khác.
Tính năng sử dụng trong một thời gian dài của silicon nhìn chung rất tốt, mặc dù sự tiếp xúc hơi nước ở áp suất cao, và quá trình lão hóa trong các hệ kín (cơ bản không có oxi) có thể dẫn đến sự thoái hóa thông qua phản ứng thủy phân;
Điều này thật sự đúng nếu peroxide có tính acid còn lại trong cao su không mất đi hết trong quá trình lưu hóa lại.
Tính kháng dầu của silicone nhìn chung tương đương với tính kháng dầu của polycloroprene, trong khi tính kháng dầu của fluorosilicone thì đạt mức kháng dầu của fluorocacbon.
Hai điểm quan tâm đáng chú ý là quá trình đốt cháy silicone hình thành silica là một chất cách điện, và vì vậy dây cáp được bọc cách điện bằng silicone vẫn có thể duy trì tính năng sau một thời gian ngắn tiếp xúc với lửa;
Silicone cũng là những chất trơ về mặt lý sinh và điều này dẫn đến ứng dụng rộng rãi của chúng trong y khoa, bao gồm cả cấy ghép y khoa.
Do đã bão hòa, khả năng chống lại oxy, ozon và tia cực tím của silicone là rất tốt, nhưng điều đó cũng có nghĩa là phải dùng peroxide cho quá trình lưu hóa.
Nhìn chung những chất độn silica được dùng để gia cường cho những vật liệu này, than đen ít gia cường hơn, và sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt.
Silicone cũng có sẵn ở dạng lỏng (LR hoặc LSR), dạng lưu hóa ở nhiệt độ phòng (RTV) và dạng lưu hóa ở nhiệt độ cao (HTV).
Ứng dụng
Cao su silicone được dùng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như trong dược phẩm, y khoa, dây điện và dây cáp, ô tô và không gian vũ trụ, những ứng dụng cần tính chất trơ rất tốt của silicone.
| 
