Ấn tượng của nhiều người về silicone là trong nhà bếp: chảo nướng, xẻng, khuôn làm bánh, những loại vật liệu mềm cầm nắm nhưng có khả năng chịu nhiệt-rất cao khi đặt vào lò nướng; Ngay cả khi ra khỏi nhiệt độ cao trên 200 độ cũng không thấy hiện tượng "tan chảy".
Những vật liệu mềm mà chúng ta thường tiếp xúc như túi nhựa, dây cao su, bông xốp sẽ dính, biến dạng, thậm chí tan chảy khi nhiệt độ cao.
Tại sao silicone có thể “phản trực giác” đạt được độ mềm mại và khả năng chịu nhiệt độ cao? Hôm nay chúng tôi sẽ giải thích vấn đề này từ cấu trúc, hành vi điện tử đến các ứng dụng kỹ thuật.
01 Tháo rời bộ xương và quan sát
Silicone (chính xác hơn là cao su silicon lưu hóa ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ cao, với chuỗi chính là polydimethylsiloxane, PDMS) có "bộ xương" hoàn toàn khác với chuỗi chính lai hữu cơ vô cơ cao su thông thường - Si-O-Si. Chuỗi chính này đồng thời xác định độ "mềm" và "khả năng chịu nhiệt" của nó.
Tại sao nó mềm?
Độ dài liên kết dài hơn và góc liên kết rộng hơn: Liên kết Si-O dài hơn liên kết C-C và góc liên kết của Si-O-Si cũng lớn hơn. Sự kết hợp của hai thứ này để lại một "không gian chuyển động" lớn hơn cho đoạn chuỗi quay, giúp chuỗi uốn cong qua lại dễ dàng hơn - do đó nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) rất thấp (PDMS Tg thường ở khoảng -120 độ). Trong một thế giới mà nhiệt độ phòng cao hơn nhiều so với Tg thì đương nhiên nó là loài "nhuyễn thể".
"Bôi trơn" đế bên: Đế bên silicon phổ biến nhất là - CH3. Các nhóm methyl có kích thước nhỏ và tương tác yếu với nhau. Các chuỗi không "dính" vào nhau lắm, giống như bôi một loại dầu bôi trơn vô hình ở cấp độ phân tử. Về mặt vĩ mô, chúng có vẻ mềm mại và có độ bật lại nhẹ nhàng.
Rào cản quay thấp: Điện trở quay xung quanh liên kết Si{0}}O nhỏ và các đoạn linh hoạt giống như các khớp nối với nhau, đây cũng là nguồn cực nhỏ của Tg thấp.
Tại sao nó có khả năng chịu nhiệt-?
Bản thân liên kết Si-O rất có khả năng bị phá vỡ: Năng lượng liên kết của liên kết Si-O cao hơn đáng kể so với liên kết C-C và C-O thông thường, cần năng lượng cao hơn để "phá vỡ" nó nên không dễ bị phá vỡ ở nhiệt độ cao.
Khung vô cơ: Chuỗi chính của cao su hữu cơ nói chung là C-C hoặc C-O, dễ bị tấn công bởi các gốc tự do phản ứng trong điều kiện oxy nóng; Chuỗi chính Si-O ổn định hơn và trải qua quá trình lão hóa oxy hóa nhiệt chậm hơn.
Đi kèm với lớp vỏ bảo vệ trong trường hợp hỏa hoạn: Cao su silicon sẽ tạo ra lớp tro vô cơ dày đặc tương tự như silicon dioxide (SiO ₂) dưới nhiệt độ cao/ngọn lửa hở, giống như nhanh chóng bao phủ mình bằng một lớp vỏ chịu nhiệt-để chặn nhiệt và oxy tiếp tục xâm nhập nên thường có đặc điểm là "tự dập tắt" và "không nhỏ giọt".
Tóm tắt trong một câu:
Độ mềm đến từ tính linh hoạt của chuỗi và tương tác giữa các phân tử yếu, trong khi khả năng chịu nhiệt đến từ liên kết Si{0}}O mạnh và các sản phẩm nhiệt phân vô cơ. Hai điều này không mâu thuẫn nhau.
