העבר וההווה של חומרי סיליקון

כשמדובר בחומרים מתקדמים, סיליקון הוא ללא ספק נושא חם. סיליקון הוא סוג של חומר פולימרי המכיל סיליקון, פחמן, מימן וחמצן. הוא שונה באופן משמעותי מחומרי סיליקון אנאורגניים ומציג ביצועים מצוינים בתחומים רבים. בואו נבחן לעומק את המאפיינים, תהליך הגילוי וכיווני היישום של סיליקון.

הבדלים בין סיליקון לסיליקון אנאורגני:

ראשית, ישנם הבדלים ברורים במבנה הכימי בין סיליקון לסיליקון אנאורגני. סיליקון הוא חומר פולימרי המורכב מסיליקון ופחמן, מימן, חמצן ויסודות אחרים, בעוד שסיליקון אנאורגני מתייחס בעיקר לתרכובות אנאורגניות הנוצרות על ידי סיליקון וחמצן, כגון סיליקון דו-חמצני (SiO2). המבנה מבוסס הפחמן של הסיליקון מעניק לו גמישות ופלסטיות, מה שהופך אותו לגמיש יותר ביישום. בשל מאפייני המבנה המולקולרי של סיליקון, כלומר, אנרגיית הקשר של קשר Si-O (444J/mol) גבוהה מזו של קשר CC (339J/mol), חומרי סיליקון בעלי עמידות גבוהה יותר בחום מאשר תרכובות פולימר אורגניות כלליות.

גילוי הסיליקון:

ניתן לייחס את גילוי הסיליקון לתחילת המאה ה-20. בימים הראשונים, מדענים סינתזו בהצלחה סיליקון על ידי הכנסת קבוצות אורגניות לתרכובות סיליקון. תגלית זו פתחה עידן חדש של חומרי סיליקון והניחה את היסודות ליישום הרחב שלהם בתעשייה ובמדע. הסינתזה והשיפור של סיליקון עשו התקדמות רבה בעשורים האחרונים, וקידמו את החדשנות והפיתוח המתמשכים של חומר זה.

סיליקונים נפוצים:

סיליקונים הם סוג של תרכובות פולימריות הנמצאות באופן נרחב בטבע ובסינתזה מלאכותית, כולל צורות ומבנים שונים. להלן מספר דוגמאות לסיליקונים נפוצים:

פולידימתילסילוקסן (PDMS): PDMS הוא אלסטומר סיליקון טיפוסי, המצוי בדרך כלל בגומי סיליקון. יש לו גמישות מצוינת ויציבות בטמפרטורה גבוהה, והוא נמצא בשימוש נרחב בהכנת מוצרי גומי, מכשירים רפואיים, חומרי סיכה וכו'.

שמן סיליקון: שמן סיליקון הוא תרכובת סיליקון ליניארית בעלת מתח פנים נמוך ועמידות טובה לטמפרטורות גבוהות. נפוץ בשימוש בחומרי סיכה, מוצרי טיפוח לעור, מכשירים רפואיים ותחומים אחרים.

שרף סיליקון: שרף סיליקון הוא חומר פולימרי המורכב מקבוצות חומצה סיליצינית בעל עמידות בחום ובידוד חשמלי מצוינים. הוא נמצא בשימוש נרחב בציפויים, דבקים, זיווד אלקטרוני ועוד.

גומי סיליקון: גומי סיליקון הוא חומר סיליקון דמוי גומי בעל עמידות גבוהה לטמפרטורות גבוהות, עמידות בפני מזג אוויר, בידוד חשמלי ותכונות נוספות. הוא נמצא בשימוש נרחב בטבעות איטום, שרוולי הגנה לכבלים ובתחומים אחרים.

דוגמאות אלה מראות את מגוון הסיליקונים. הם ממלאים תפקיד חשוב בתחומים שונים ויש להם מגוון רחב של יישומים, החל מהתעשייה ועד לחיי היומיום. דבר זה משקף גם את המאפיינים המגוונים של הסיליקונים כחומר בעל ביצועים גבוהים.

יתרונות ביצועים

בהשוואה לתרכובות שרשרת פחמן רגילות, לאורגנוסילוקסאן (פולידימתיל סילוקסאן, PDMS) יש כמה יתרונות ביצועים ייחודיים, מה שהופך אותו למצוין ביישומים רבים. להלן מספר יתרונות ביצועים של אורגנוסילוקסאן על פני תרכובות שרשרת פחמן רגילות:

עמידות בטמפרטורות גבוהות: לאורגנוסילוקסאן עמידות מצוינת בטמפרטורות גבוהות. מבנה קשרי הסיליקון-חמצן הופך את האורגנוסילוקסנים ליציבים בטמפרטורות גבוהות ולא קלים לפירוק, מה שמספק יתרונות ליישום בסביבות טמפרטורה גבוהה. לעומת זאת, תרכובות שרשרת פחמן נפוצות רבות עלולות להתפרק או לאבד ביצועים בטמפרטורות גבוהות.

מתח פנים נמוך: לאורגנוסילוקסאן מתח פנים נמוך, מה שמקנה לו יכולת רטיבות וסיכה טובות. תכונה זו הופכת שמן סיליקון (סוג של אורגנוסילוקסאן) לשימוש נרחב בחומרי סיכה, מוצרי טיפוח לעור ומכשירים רפואיים.

גמישות ואלסטיות: המבנה המולקולרי של האורגנוסילוקסאן מעניק לו גמישות ואלסטיות טובות, מה שהופך אותו לבחירה אידיאלית להכנת גומי וחומרים אלסטיים. זה הופך את גומי הסיליקון ליעיל בהכנת טבעות איטום, רכיבים אלסטיים וכו'.

בידוד חשמלי: לאורגנוסילוקסאן תכונות בידוד חשמליות מצוינות, מה שהופך אותו לשימוש נרחב בתחום האלקטרוניקה. שרף סיליקון (סוג של סילוקסאן) משמש לעתים קרובות בחומרי אריזה אלקטרוניים כדי לספק בידוד חשמלי ולהגן על רכיבים אלקטרוניים.

ביו-תאימות: לאורגנוסילוקסאן תאימות גבוהה עם רקמות ביולוגיות ולכן הוא נמצא בשימוש נרחב במכשור רפואי ובתחומים ביו-רפואיים. לדוגמה, גומי סיליקון משמש לעתים קרובות להכנת סיליקון רפואי לאיברים מלאכותיים, צנתרים רפואיים וכו'.

יציבות כימית: אורגנוסילוקסנים מפגינים יציבות כימית גבוהה ועמידות טובה בפני קורוזיה לכימיקלים רבים. זה מאפשר להרחיב את יישומם בתעשייה הכימית, כגון להכנת מיכלי כימיקלים, צינורות וחומרי איטום.

בסך הכל, לאורגנוסילוקסנים תכונות מגוונות יותר מאשר לתרכובות שרשרת פחמן רגילות, מה שמאפשר להם למלא תפקיד חשוב בתחומים רבים כמו סיכה, איטום, רפואה ואלקטרוניקה.

שיטת הכנה של מונומרים אורגנוזיליקוניים

שיטה ישירה: סינתזה של חומרים אורגנו-סיליקון על ידי תגובה ישירה של סיליקון עם תרכובות אורגניות.

שיטה עקיפה: הכנת סיליקון אורגני באמצעות פיצוח, פילמור ותגובות אחרות של תרכובות סיליקון.

שיטת פילמור הידרוליזה: הכינו סיליקון אורגני על ידי פילמור הידרוליזה של סילאנול או אלכוהול סילאן.

שיטת קופולימריזציה גרדיאנטית: סינתזה של חומרי סיליקון אורגניים בעלי תכונות ספציפיות באמצעות קופולימריזציה גרדיאנטית.

מגמת שוק הסיליקון האורגאני

ביקוש גובר בתחומי היי-טק: עם ההתפתחות המהירה של תעשיות היי-טק, הביקוש לאורגנוזיליקון בעל תכונות מצוינות כגון עמידות לטמפרטורות גבוהות, עמידות בפני קורוזיה ובידוד חשמלי הולך וגובר.

התרחבות שוק המכשור הרפואי: השימוש בסיליקון בייצור מכשור רפואי ממשיך להתרחב, ובשילוב עם ביו-תאימות, הוא מביא אפשרויות חדשות לתחום המכשור הרפואי.

פיתוח בר-קיימא: שיפור המודעות הסביבתית מקדם את המחקר של שיטות הכנה ירוקות של חומרי סיליקון, כגון סיליקון מתכלה, כדי להשיג פיתוח בר-קיימא יותר.

חקר תחומי יישום חדשים: תחומי יישום חדשים ממשיכים לצוץ, כגון אלקטרוניקה גמישה, התקנים אופטואלקטרוניים וכו', כדי לקדם חדשנות והרחבת שוק הסיליקון.

כיוון פיתוח עתידי ואתגרים

מחקר ופיתוח של סיליקון פונקציונלי:בתגובה לצרכים של תעשיות שונות, סיליקון יקדיש תשומת לב רבה יותר לפיתוח פונקציונליות בעתיד, כגון ציפויי סיליקון פונקציונליים, הכוללים תכונות מיוחדות כמו תכונות אנטיבקטריאליות ומוליכות.

מחקר על סיליקון מתכלה:עם שיפור המודעות הסביבתית, מחקר על חומרי סיליקון מתכלים יהפוך לכיוון פיתוח חשוב.

יישום של ננו סיליקוןבאמצעות ננוטכנולוגיה, מחקר על הכנה ויישום של ננו-סיליקון כדי להרחיב את יישומו בתחומי טכנולוגיה עילית.

ירוקה של שיטות הכנהעבור שיטות הכנת הסיליקון, תוקדש תשומת לב רבה יותר למסלולים טכניים ירוקים וידידותיים לסביבה בעתיד כדי להפחית את ההשפעה על הסביבה.