シリコンゴム

シリコーンゴムは、シリコーン（それ自体がポリマー）と、炭素、水素、酸素を含むシリコーンでできたエラストマー（ゴムのような材料）です。シリコーンゴムは産業界で広く使用されており、さまざまな配合があります。シリコーンゴムは、1成分または2成分のポリマーであることが多く、特性を改善したりコストを削減したりするために充填剤が含まれている場合があります。シリコーンゴムは一般に非反応性で安定しており、-55～300 °C（-70～570 °F）の極端な環境や温度に耐えながら、その有用な特性を維持しています。これらの特性と製造および成形の容易さから、シリコーンゴムは、電圧ライン絶縁体、自動車用途、調理、ベーキング、食品保存製品、下着、スポーツウェア、履物などの衣料品、電子機器、医療機器およびインプラント、家庭修理およびハードウェア、シリコーンシーラントなどの製品など、さまざまな製品に使用されています。

「シリコーン」という用語は、実際には誤った名称です。接尾辞「-one 」は、化学者がその骨格に二重結合した酸素原子を持つ物質を表すために使用します。最初に発見されたとき、シリコーンはこのように結合した酸素原子を持っていると誤って信じられていました。さまざまなシリコーンゴムの技術的に正しい用語は、飽和した Si-O 骨格を指すポリシロキサン(ポリジメチルシロキサンは大きなサブセット) です。^[1]

未硬化の状態では、シリコーンゴムは粘着性の高いゲルまたは液体です。固体にするには、硬化、加硫、または触媒処理が必要です。これは通常、製造時に目的の形状に成形し、その後長時間の硬化後処理という 2 段階のプロセスで実行されます。また、射出成形や3D プリントも可能です。

シリコーンゴムは、白金触媒硬化システム、縮合硬化システム、過酸化物硬化システム、またはオキシム硬化システムによって硬化できます。白金触媒硬化システムの場合、熱または圧力を加えることで硬化プロセスを加速できます。

プラチナベースのシリコーン硬化システムは、付加システムとも呼ばれ（主要な反応構築ポリマーが付加反応であるため）、水素化物とビニル官能性シロキサンポリマーがプラチナ 錯体触媒の存在下で反応し、 2つの間にエチル架橋を形成します。 ^{[2]この反応では副産物はありません。このようなシリコーンゴムは急速に硬化しますが、元素}スズ、硫黄、および多くのアミン化合物の存在下では、硬化速度や硬化能力が簡単に阻害されます。^[1]

縮合硬化システムは、1 成分系または2 成分系です。^[3] 1 成分系またはRTV (室温加硫) システムでは、周囲の湿度 (水など) にさらされた架橋剤は加水分解され、ヒドロキシル基またはシラノール基が残ります。シラノール基は、ポリマーまたは架橋剤上の別の加水分解性基とさらに縮合し、システムが完全に硬化するまで続きます。このようなシステムは室温で自然に硬化し、(プラチナベースの付加硬化システムとは異なり) 他の化学物質との接触によって容易に阻害されませんが、一部のプラスチックや金属との接触によってプロセスが影響を受ける可能性があり、すでに硬化したシリコーン化合物と接触するとプロセスがまったく行われない場合があります。縮合硬化システムで使用される架橋剤は、通常、アルコキシ、アセトキシ、エステル、エノキシ、またはオキシムシランであり、アルコキシ硬化システムではメチルトリメトキシシラン、アセトキシ硬化システムではメチルトリアセトキシシランが使用される。多くの場合、RTVシステムを完全に硬化させて粘着性のない表面を実現するために、追加の縮合触媒が添加される。アルコキシ硬化システムでは、テトラアルコキシチタン酸塩やキレートチタン酸塩などの有機チタン酸塩触媒が使用される。オキシムおよびアセトキシ硬化システムでは、ジブチルスズジラウレート（DBTDL）などのスズ触媒を使用できる。 アセトキシスズ縮合は、シリコーンゴムの硬化に使用される最も古い硬化化学の一つであり、家庭用浴室コーキングに使用されている。分離分子の種類に応じて、シリコーンシステムを酸性、中性、またはアルカリ性に分類することができる。^[4]

2 成分凝縮システムでは、架橋剤と凝縮触媒を 1 つの部分にパッケージし、ポリマーと充填剤または顔料を 2 番目の部分にパッケージします。2 つの部分を混合すると硬化が起こります。一般的な充填剤は、シーラントの流動特性を制御するために使用されるヒュームドシリカ (別名パイロジェニックシリカ) です。^[5]

完全に硬化すると、結露システムは配管や建築工事におけるシーラントやコーキングとして、またポリウレタン、エポキシ、ポリエステル樹脂、ワックス、石膏、鉛などの低融点金属を鋳造するための型として効果的です。通常、非常に柔軟で、引き裂き強度も高いです。シリコーンは非粘着性があるため、離型剤を使用する必要がありません。

過酸化物硬化はシリコーンゴムの硬化に広く使用されています。硬化プロセスでは副産物が残り、食品接触や医療用途で問題となる可能性があります。ただし、これらの製品は通常、ポストキュアオーブンで処理され、過酸化物の分解生成物の含有量が大幅に減少します。使用される2つの主要な有機過酸化物の1つであるジクミルパーオキサイドの主な分解生成物はアセトフェノンと2-フェニル-2-プロパノールです。もう1つは2,4-ジクロロベンゾイルパーオキサイドで、主な分解生成物は2,4-ジクロロ安息香酸と1,3-ジクロロベンゼンです。^{[6] [7]}

最初のシリコーンエラストマーは、電気モーターや発電機用のより優れた絶縁材料を求めて開発されました。樹脂を含浸させたガラス繊維は、当時の最先端の材料でした。ガラスは耐熱性に優れていましたが、フェノール樹脂は、新しい小型電気モーターで発生する高温に耐えられませんでした。コーニング グラスとゼネラル エレクトリックの化学者は、樹脂バインダーとして使用する耐熱材料を調査していたときに、最初のシリコーン ポリマーを合成し、その性能が優れていることを実証し、商業的に生産する方法を見つけました。

コーニンググラスはダウケミカルとの合弁で1943年にダウコーニングを設立し、この新しい種類の材料を生産しました。戦時中はB29のスーパーチャージャー用のガスケットやサーチライトのレンズの補助に使用されました。^[8]

新しいシリコーン製品のユニークな特性がより詳細に研究されるにつれて、より幅広い用途への可能性が想定され、GEは1947年にシリコーンを生産するための独自の工場を開設しました。GEシリコーンは2006年にモメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズに売却されました。ワッカーケミーも1947年にヨーロッパでシリコーンの生産を開始しました。日本の信越化学は1953年にシリコーンの大量生産を開始しました。^[9]

シリコーンゴムは極端な温度に対して優れた耐性があり、通常 -100 ～ 300 °C (-150 ～ 570 °F) で作動します。シリコーンゴムは引張強度が低く、摩耗特性も劣っています。^[10]伸び、クリープ、繰り返し曲げ、引裂強度、圧縮永久歪み、誘電強度(高電圧)、熱伝導率、耐火性、場合によっては引張強度などの特性は、極端な温度では一般的な有機ゴムよりもはるかに優れていますが、これらの特性のいくつかは、一部の特殊材料よりもまだ劣っています。シリコーンゴムは、強い熱応力や氷点下の温度下で初期形状と機械的強度の保持が求められる産業で好まれる材料です。^{[11] [12] [13]}

有機ゴムは炭素対炭素骨格を持っているため、オゾン、紫外線、熱、その他の老化要因の影響を受けやすく、シリコンゴムはこれらの要因に十分耐えることができます。このため、シリコンゴムは多くの過酷な環境で選ばれるエラストマーの 1 つとなっています。シリコンは他のほとんどのゴムよりもガス透過性がかなり高いため、一部の領域では使用が制限されます。

シリコーンゴムは不活性度が高く、ほとんどの化学物質と反応せず、生物学的プロセスに関与することがないため、医療用インプラントを含む多くの医療用途に使用できます。シリコーンゴムは生体適合性があり、低アレルギー性であるため、ベビーケア製品や食品との接触全般に適しています。シリコーンゴムは、主な有効成分間の移行や相互作用の問題に対する信頼性の高いソリューションです（ゴムや熱可塑性エラストマーとは対照的です）。化学的に安定しているため、接触するあらゆる基質（皮膚、水、血液、有効成分など）に影響を与えません。^[14]

シリコーンを作るには、二酸化ケイ素化合物シリカからケイ素原子を分離する必要があります。これは、大量の石英砂を非常に高い温度、多くの場合1800℃まで加熱することによって行われます。ここから、ケイ素を塩化メチルと組み合わせ、加熱するいくつかのプロセスがあります。次に、ポリジメチルシロキサンとして知られる重合シロキサンに蒸留されます。次に、ポリジメチルシロキサンを重合することができます。これは、最終製品の用途に応じてさまざまな技術を使用して行われます。^[15]生のシリコーン化合物は、顔料や触媒などの任意の添加剤と組み合わせられます。次に、射出成形、押し出し、または3Dプリントされます。硬化は製造プロセスの最終段階です。

ポリシロキサンは、その骨格が C-C 単位ではなく Si-O-Si 単位で構成されるという点で他のポリマーと異なります。結合角と結合長が大きいため、ポリシロキサンはポリエチレンなどの基本的なポリマーよりも柔軟です。C-C 骨格単位の結合長は 1.54 Å、結合角は 112° ですが、Si-O 骨格単位の結合長は 1.63 Å、結合角は 130° です。ポリシロキサンのポリマーセグメントはより遠くまで移動し、容易に立体配座を変えることができるため、柔軟な材料となっています。ポリシロキサンは、ケイ素-酸素結合を切断するのにより多くのエネルギーが必要なため、より安定しており、化学的に活性が低い傾向があります。ケイ素は炭素の同族体であり、同じ電子結合構成を持っていますが、炭素質化合物のケイ素類似体は一般に異なる特性を示します。 6個の陽子と6個の中性子を持つ炭素と、14個の陽子と14個の中性子を持つケイ素との間の全電荷と質量の差によって、電子層が追加され、その遮蔽効果によって2つの元素間の電気陰性度が変化する。例えば、ポリシロキサンのケイ素-酸素結合は、構造的に類似したポリマーであるポリオキシメチレンの炭素-酸素結合よりも大幅に安定している。この差は、Si-O結合を切断するために必要なエネルギーである結合エネルギーが高いことと、ポリオキシメチレンはホルムアルデヒドを分解し、ホルムアルデヒドは揮発性で逃げて分解を促進するのに対し、シリコーンのSi含有分解生成物は揮発性が低いことにも起因している。^[16]

機械的性質	(ポリマックス 2005) [引用が必要]
硬度、ショアA	10～90歳
抗張力	11N/ mm2
破断時の伸び	100～1100%
最高気温	300℃
最低気温	−120℃

シリコーンゴムには、耐蒸気性、金属検出可能、高引裂強度、極高温、極低温、導電性、耐薬品性/耐油性/耐酸/耐ガス性、低発煙性、難燃性など、多くの特殊グレードと形態があります。シリコーンゴムにはさまざまな充填剤を使用できますが、そのほとんどは非補強性で、引張強度を低下させます。

シリコンゴムには、ショア Aまたは IRHDで表され、10 から 100 までのさまざまな硬度レベルがあり、数値が大きいほど化合物が硬くなります。また、ほぼすべての色が用意されており、色合わせも可能です。

シリコーンゴムは、自動車用途、調理、ベーキング、食品保存用の多くの製品、下着、スポーツウェア、履物などのアパレル、電子機器、住宅修理、金物など、目に見えない多くの用途に使用されています。通常、以下の方法で加工され、成形されます。^[17]

混合および着色されたシリコンゴムは、メーカーのサイズ仕様に従って、チューブ、ストリップ、ソリッドコード、またはカスタムプロファイルに押し出すことができます。コードを結合してO リングを作成したり、押し出しプロファイルを結合してシールを作成したりできます。

シリコンゴムは、カスタム形状やデザインに成形できます。製造業者は、シリコンゴムのプロファイルを押し出し、切断、または接合する際に、業界の許容範囲を設定するように努めています。英国では、これは BS 3734 であり、押し出しの場合、最も厳しいレベルは E1、最も広いレベルは E3 です。

シリコーンゴムは、ポンプノズル押し出しシステムを使用して3Dプリント（液体堆積モデリングLDM）することができます。残念ながら、標準的なシリコーン配合は、押し出し成形機と射出成形機で使用するように最適化されており、LDMベースの3Dプリントには適用できません。レオロジー挙動とポットライフを調整する必要があります。^[18]

3D プリントでは、シリコンゴムと互換性のある取り外し可能なサポート材料の使用も必要です。

液状シリコーンゴムは、ライフサイエンス用途（注射器ピストン、ディスペンシングシステムのクロージャー、IVフローレギュレータのガスケット、呼吸マスク、IV投与用の埋め込み型チャンバー）、化粧品（マスカラブラシ、メイクアップパッケージ、メイクアップアプリケータ、口紅型）、光学製品（円形レンズ、コリメータ、フレネルレンズ、フリーフォームレンズ）にも製造されています。^[19]

凍結耐性のある太陽熱温水パネルは、凍結時の水の膨張に繰り返し適応するシリコンの弾性を活用し、その極端な温度耐性により氷点下でも脆くならず、150 °C (300 °F) を超える温度にも優れた耐性を維持します。炭素骨格ではなく化学的に堅牢なシリコン骨格を持つという特性により、レジオネラなどの危険な水媒介細菌の餌となる可能性が低くなります。

鉄(III)酸化物添加物（テープを赤橙色にする）を含む非染色シリコーンゴムテープは、その不燃性のため、航空および宇宙配線用途でスプライステープまたはラッピングテープとして広く使用されています。鉄酸化物添加物は高い熱伝導性を追加しますが、シリコーンゴムの高い電気絶縁性は変更しません。このタイプの自己融合テープはそれ自体に融合または融合するため、引き伸ばしてケーブル、電気接続部、ホース、パイプに巻き付けると、接着性はありませんが、強力でシームレスなゴム状の電気絶縁および防水層に結合します。電気絶縁体としてのシリコーンゴムには、熱による損傷を受けても非導電性を維持するという利点があり、暴走アークの可能性を減らします。

粉末充填剤として炭素または他の導電性物質を加えると、シリコーンゴムは他の機械的特性のほとんどを維持しながら導電性を持たせることができます。そのため、押すと閉じる柔軟な接点に使用され、コンピューターのキーボードやリモコンの受話器など、多くのデバイスで使用されています。

シリコーンゴムは、電力ケーブルやケーブルジョイントの電気絶縁体として使用されています。 ^{[17] [20]}シリコーン絶縁ケーブルは、-90°Cから200°Cの温度に耐えることができ、柔軟性が高いという利点があります。これらの特性により、火災の際に回路の完全性を維持するのに適しています。^[21]

2007年、シリコーンゴムは初の自律型自己修復エラストマーのマトリックスを形成しました。^[22] マイクロカプセルベースの材料は、元の引裂強度のほぼすべてを回復することができました。さらに、この材料は、ねじり疲労試験を使用して評価したところ、疲労特性が向上しました。^[23]

• 液状シリコーンゴムの射出成形
• 法医学工学
• 法医学ポリマー工学
• 医療グレードシリコン
• RTVシリコン

• ブライドソン、ジョン (1999)プラスチック材料、バターワース、第 9 版
• Lewis, PR, Reynolds, K および Gagg, C (2004)法医学材料工学: ケーススタディ、CRC プレス