실리콘은 왜 그렇게 부드럽지만 열에 강한-가요?

실리콘에 대한 많은 사람들의 생각은 주방에 있습니다. 베이킹 팬, 삽, 케이크 틀 등은 잡기에는 부드럽지만 오븐에 넣으면 열에 매우 강합니다.- 200도가 넘는 고온에서 나오더라도 눈에 띄는 '녹는' 현상은 없습니다.

비닐봉지, 고무줄, 발포솜 등 우리가 일반적으로 접촉하는 부드러운 물질은 온도가 높으면 끈적거리거나 변형되거나 심지어 녹을 수도 있습니다.

실리콘이 "직관적으로 대응"하여 부드러움과 고온 저항을 달성할 수 있는 이유는 무엇입니까? 오늘 우리는 이 문제를 구조, 전자 거동, 엔지니어링 응용에 이르기까지 설명하겠습니다.

실리콘(보다 정확하게는 폴리디메틸실록산 주쇄, PDMS를 사용하여 실온 또는 고온에서 가황된 실리콘 고무)은 일반적인 유기 고무 -Si-O-Si 무기 유기 하이브리드 주쇄와 완전히 다른 "골격"을 가지고 있습니다. 이 주쇄는 "부드러움"과 "내열성"을 동시에 결정합니다.

더 긴 결합 길이와 더 넓은 결합 각도: Si-O 결합은 C-C 결합보다 길고 Si-O-Si의 결합 각도도 더 큽니다. 이 두 가지의 조합은 체인 세그먼트가 회전할 수 있는 더 큰 "이동 공간"을 남겨 체인이 앞뒤로 구부러지기 쉽게 만듭니다. 따라서 유리 전이 온도(Tg)는 매우 낮습니다(PDMS Tg는 약 -120도인 경우가 많습니다). 실온이 Tg보다 훨씬 높은 세상에서는 당연히 "연체동물"이다.

사이드 베이스 "윤활": 가장 일반적인 실리콘 사이드 베이스는 - CH3입니다. 메틸 그룹은 크기가 작고 서로 상호 작용이 약합니다. 분자 수준에서 보이지 않는 윤활유를 바르는 것처럼 체인은 서로 "끈적"하지 않습니다. 육안으로 보면 부드러워 보이고 반동도 완만합니다.

낮은 회전 장벽: Si-O 결합 주변의 회전 저항이 작고 세그먼트가 상호 연결된 조인트처럼 유연하며 이는 낮은 Tg의 미세한 원인이기도 합니다.

Si-O 결합 자체는 파괴될 가능성이 매우 높습니다. Si-O 결합의 결합 에너지는 일반적인 C-C 및 C-O 결합의 결합 에너지보다 상당히 높으며, 이를 "파괴"하려면 더 높은 에너지가 필요하므로 고온에서도 쉽게 파괴되지 않습니다.

무기 골격: 유기 고무의 주요 사슬은 일반적으로 C-C 또는 C-O이며, 이는 뜨거운 산소 조건에서 반응성 자유 라디칼의 공격에 더 취약합니다. Si-O 주 사슬은 더 안정적이고 더 느린 열 산화 노화를 겪습니다.

화재 발생 시 보호 쉘 제공: 실리콘 고무는 고온/화염 하에서 빠르게 내열 쉘로 덮이는 것과 같이 이산화규소(SiO 2)와 유사한 조밀한 무기 회분 층을 생성하여 열과 산소가 지속적으로 침입하는 것을 차단하므로 일반적으로 "자기 소화" 및 "물이 떨어지지 않는" 특징을 갖습니다.

한 문장으로 요약:

부드러움은 사슬의 유연성과 약한 분자간 상호작용에서 비롯되는 반면, 내열성은 강한 Si{0}}O 결합과 무기 열분해 생성물에서 비롯됩니다. 이 두 가지는 모순되지 않습니다.