Silikon jako elastomer stał się jednym z kluczowych materiałów współczesnej techniki i przemysłu. Łączy w sobie cechy klasycznych gum z odpornością chemiczną i termiczną materiałów nieorganicznych, dzięki czemu znajduje zastosowanie tam, gdzie inne tworzywa zawodzą. Zrozumienie, jak powstaje silikon, z czego się składa i dlaczego ma tak wyjątkowe właściwości, pozwala lepiej docenić jego znaczenie gospodarcze oraz potencjał dalszego rozwoju.

Budowa chemiczna, właściwości i odmiany silikonów

Podstawą silikonowych elastomerów są polimery krzemoorganiczne, których szkielet tworzą naprzemiennie ułożone atomy krzemu i tlenu – tzw. łańcuch Si–O–Si. Do atomów krzemu przyłączone są grupy organiczne, najczęściej metylowe (–CH₃), rzadziej fenylowe (–C₆H₅) lub inne, modyfikujące właściwości gotowego materiału. To odróżnia silikony od klasycznych polimerów węglowych, gdzie szkielet łańcucha stanowią wiązania C–C.

Wiązanie Si–O jest jedno z najsilniejszych w chemii nieorganicznej, a jednocześnie jego geometria pozwala na dużą swobodę obrotu łańcuchów polimerowych. Z tego powodu elastomery silikonowe wykazują jednocześnie:

• dużą elastyczność nawet w bardzo szerokim zakresie temperatur,
• wysoką stabilność cieplną – typowe zakresy pracy to od około –60°C do +200°C,
• stosunkowo niską temperaturę zeszklenia, co pozwala zachować sprężystość w niskich temperaturach,
• dobrą odporność na promieniowanie UV i warunki atmosferyczne,
• chemiczną obojętność w kontakcie z wieloma substancjami, w tym mediami spożywczymi i farmaceutycznymi.

Właśnie połączenie elastyczności z odpornością termiczną i chemiczną czyni z silikonów szczególną grupę materiałów – funkcjonalnie zbliżonych do tradycyjnej gumy, lecz o znacznie lepszej stabilności.

Rodzaje silikonowych elastomerów

Silikony elastomerowe można podzielić według różnych kryteriów, m.in. sposobu sieciowania, konsystencji oraz obszaru zastosowań.

Ze względu na sposób sieciowania wyróżnia się przede wszystkim:

• Systemy utwardzane nadtlenkowo – wykorzystujące nadtlenki jako inicjatory reakcji sieciowania. Są to rozwiązania klasyczne, stosowane tam, gdzie nie jest wymagany bardzo niski poziom produktów ubocznych.
• Systemy sieciowane addycyjnie (platynowe) – proces przebiega w wyniku reakcji addycji hydrosililowej (Si–H z wiązaniami niesyconymi), katalizowanej przez związki platyny. Tego typu elastomery charakteryzują się mniejszą emisją lotnych związków i są szeroko wykorzystywane w przemyśle medycznym oraz spożywczym.
• Systemy kondensacyjne – w których sieciowanie zachodzi poprzez reakcje kondensacji z wydzieleniem małych cząsteczek (np. alkoholi). Ta grupa ma znaczenie głównie w uszczelniaczach i silikonach typu RTV.

Ze względu na konsystencję i sposób przetwarzania można wyróżnić m.in.:

• HTV (High Temperature Vulcanizing) – gumy silikonowe wysokotemperaturowe, dostarczane jako masy formierskie, przeznaczone do wulkanizacji w podwyższonej temperaturze. Służą do wytwarzania wyrobów technicznych o dużej precyzji.
• LSR (Liquid Silicone Rubber) – ciekłe elastomery silikonowe przetwarzane w procesie wtrysku. Pozwalają na wysoką automatyzację produkcji skomplikowanych kształtów przy zachowaniu krótkich czasów cyklu.
• RTV (Room Temperature Vulcanizing) – silikony sieciujące w temperaturze otoczenia, dostępne jako jednoskładnikowe lub dwuskładnikowe systemy. Wykorzystywane głównie jako masy uszczelniające, kleje i materiały odlewnicze.

Ze względu na przeznaczenie wydziela się natomiast m.in. silikony:

• medyczne i farmaceutyczne – o podwyższonej czystości, często sterylizowalne w autoklawie,
• spożywcze – przeznaczone do kontaktu z żywnością, spełniające rygorystyczne normy migracji substancji,
• techniczne – stosowane w maszynach, urządzeniach, instalacjach przemysłowych,
• specjalistyczne – np. o zwiększonej odporności na promieniowanie, oleje paliwowe czy ekstremalne warunki atmosferyczne.

Dzięki możliwości modyfikowania grup bocznych, ciężaru cząsteczkowego i stopnia sieciowania, właściwości elastomeru można dość precyzyjnie dostosować do wymagań danej aplikacji – od miękkich żeli po twarde, wysokowytrzymałe kompozyty.

Proces produkcji – od piasku do elastomeru silikonowego

Produkcja elastomerów silikonowych ma swoje źródło w jednym z najbardziej dostępnych surowców na Ziemi – krzemionce (SiO₂), czyli „oczyszczonym piasku”. Proces wytwarzania przebiega etapowo, a każdy z kroków wymaga zaawansowanej kontroli chemicznej i technologicznej.

Od krzemionki do krzemoorganiki

Punktem wyjścia jest metaliczny krzem, otrzymywany z krzemionki w piecach łukowych poprzez redukcję węglem. To materiał o wysokiej czystości, który następnie poddaje się reakcjom z chlorometanem (CH₃Cl) w procesie znanym jako proces Rochowa. W jego wyniku powstaje mieszanina chlorków metylokrzemowych, wśród których podstawowe znaczenie ma dimetylodichlorosilan (Me₂SiCl₂).

Kolejne etapy to:

• oczyszczanie mieszaniny chlorków (destylacja frakcyjna),
• hydroliza dimetylodichlorosilanu, prowadząca do powstania oligomerów i polimerów krzemoorganicznych,
• kondensacja oraz kontrolowana polimeryzacja prowadząca do otrzymania polidimetylosiloksanu (PDMS) – podstawowego polimeru silikonowego.

PDMS może mieć różny ciężar cząsteczkowy – od niskocząsteczkowych olejów i płynów po wysokocząsteczkowe prekursory elastomerów. To właśnie z tych wysokocząsteczkowych polimerów, po dodaniu odpowiednich środków sieciujących, wypełniaczy i dodatków technologicznych, powstają elastomery silikonowe.

Formulacja mieszanek i rola wypełniaczy

Surowe polimery silikonowe są zbyt miękkie i niestabilne mechanicznie, aby pełnić rolę gotowych materiałów konstrukcyjnych. Konieczne jest ich usieciowanie oraz odpowiednia modyfikacja składu. Do głównych składników formulacji elastomeru silikonowego należą:

• polimer bazowy (np. PDMS o określonej lepkości),
• środki sieciujące – nadtlenki, silany, prepolimery z grupami Si–H lub reakcjogennymi,
• wypełniacze wzmacniające – przede wszystkim krzemionka koloidalna lub inne postaci SiO₂ o dużej powierzchni właściwej,
• wypełniacze funkcyjne – np. tlenki metali poprawiające przewodność cieplną lub właściwości dielektryczne,
• pigmenty – nadające kolor, ułatwiające identyfikację wyrobu,
• stabilizatory, środki antyadhezyjne, dodatki technologiczne poprawiające przetwarzanie.

Kluczową rolę w kształtowaniu właściwości mechanicznych odgrywa krzemionka koloidalna. Jej wysokorozwinięta powierzchnia pozwala na intensywne oddziaływanie z łańcuchami polimeru, co przekłada się na:

• wzrost wytrzymałości na rozciąganie,
• zwiększenie odporności na rozdzieranie,
• lepszą stabilność wymiarową,
• możliwość regulowania twardości w szerokim zakresie.

Proporcje i rodzaj wypełniaczy dobiera się w zależności od zastosowania – inne mieszanki wykorzystuje się w produktach medycznych, inne w przemyśle motoryzacyjnym lub elektroenergetyce.

Sieciowanie i przetwarzanie

Ostatni etap to przemiana plastycznej lub płynnej mieszanki w usieciowaną, trwale sprężystą strukturę. Proces ten może przebiegać na kilka sposobów:

• Wulkanizacja w podwyższonej temperaturze – typowa dla elastomerów HTV; mieszankę wprowadza się do formy i pod działaniem ciepła oraz nadtlenków zachodzi sieciowanie.
• Wtrysk LSR – dwa składniki ciekłej gumy silikonowej mieszane są bezpośrednio przed wtryskiem do zamkniętej formy; sieciowanie następuje po ogrzaniu w formie, co umożliwia w pełni zautomatyzowaną produkcję dużych serii.
• Sieciowanie w temperaturze otoczenia (RTV) – stosowane w masach uszczelniających oraz klejach; zachodzi pod wpływem wilgoci z powietrza lub po zmieszaniu dwóch składników.

Po usieciowaniu materiał przyjmuje określony kształt i zachowuje elastyczność przez długi czas użytkowania, nawet przy działaniu ekstremalnych warunków. Dodatkowe operacje, takie jak wygrzewanie po wulkanizacji, pozwalają zredukować ilość lotnych składników i poprawić czystość materiału, co jest kluczowe np. dla zastosowań medycznych.

Zastosowania, branże i znaczenie gospodarcze elastomerów silikonowych

Szerokie spektrum właściwości sprawia, że silikonowe elastomery wniknęły niemal do wszystkich sektorów gospodarki. Tam, gdzie klasyczna guma ulega szybkiemu starzeniu, topi się lub traci sprężystość, silikon zwykle zachowuje stabilność. To przełożyło się na dynamiczny wzrost zużycia tych materiałów na świecie i rozwój wyspecjalizowanych rynków.

Przemysł motoryzacyjny i transport

W motoryzacji silikony są dziś uznawane za materiały strategiczne, szczególnie w obszarach związanych z wysokimi temperaturami i wymagającą chemią spalin oraz płynów eksploatacyjnych. Stosuje się je m.in. do:

• uszczelnień silników spalinowych, turbosprężarek, układów wydechowych,
• przewodów elastycznych dla gorących płynów,
• osłon i przepustów kabli w komorze silnika,
• wibracyjnych elementów tłumiących pracę agregatów,
• uszczelek drzwi, szyb i pokryw – szczególnie w pojazdach eksploatowanych w szerokim zakresie temperatur klimatycznych.

Wraz z rozwojem elektromobilności rośnie znaczenie silikonów w obszarze izolacji wysokiego napięcia, uszczelniania modułów baterii oraz ochrony elektroniki samochodowej przed wilgocią i pyłem. W transporcie lotniczym i kolejowym cenione są za odporność na ogień i dym oraz możliwość zachowania funkcjonalności w warunkach znacznych różnic temperatur.

Technika medyczna i farmacja

Jednym z najważniejszych obszarów zastosowań są szeroko pojęte wyroby medyczne. Silikonowe elastomery, po odpowiednim oczyszczeniu i certyfikacji, wykorzystywane są do produkcji:

• cewników, drenów, rurek infuzyjnych,
• uszczelek i membran w aparaturze medycznej,
• implantów oraz protez o określonej elastyczności,
• maski tlenowych i elementów respiratorów,
• wyrobów stomatologicznych, takich jak masy wyciskowe.

Cenione są za bioobojętność, brak reaktywności z wieloma lekami oraz możliwość sterylizacji metodą parową, radiacyjną lub tlenkiem etylenu. Dodatkowo ich przejrzystość lub możliwość swobodnego barwienia ułatwia kontrolę przepływu płynów oraz identyfikację elementów aparatury.

Przemysł spożywczy i gospodarstwo domowe

Elastomery silikonowe o jakości spożywczej znajdują liczne zastosowania w produkcji i przetwórstwie żywności. Wykorzystuje się je do:

• uszczelnień w urządzeniach do napełniania, mieszania i transportu żywności,
• form do pieczenia, mat i akcesoriów kuchennych odpornych na wysoką temperaturę,
• przewodów do gorących napojów i płynów spożywczych,
• membran w dozownikach i pompach spożywczych.

W warunkach domowych materiał ten upowszechnił się w postaci akcesoriów kuchennych – od łopatek, przez formy do ciast, po zamknięcia pojemników. Łatwość mycia, nieprzywierająca powierzchnia i odporność termiczna sprawiają, że produkty silikonowe stopniowo zastępują część tradycyjnych materiałów, takich jak metal czy guma naturalna.

Branża budowlana i instalacyjna

W budownictwie silikony znane są głównie jako elastyczne uszczelniacze i masy fugowe. Pełnią rolę zabezpieczeń przed wodą i powietrzem, a przy tym kompensują ruchy termiczne i odkształcenia konstrukcji. Zastosowania obejmują m.in.:

• uszczelnianie okien, drzwi i fasad szklanych,
• spoiny w łazienkach, kuchniach i pomieszczeniach mokrych,
• połączenia elementów prefabrykowanych,
• uszczelki i profile dylatacyjne.

Dzięki odporności na promieniowanie UV i warunki atmosferyczne silikonowe uszczelniacze zachowują elastyczność przez wiele lat, co przekłada się na szczelność budynków i ograniczenie strat energii. W instalacjach sanitarnych i grzewczych elastomery silikonowe służą jako uszczelnienia w punktach narażonych na wysoką temperaturę oraz kontakt z agresywnymi czynnikami chemicznymi.

Elektrotechnika, elektronika i telekomunikacja

Istotnym polem zastosowań jest przemysł elektryczny i elektroniczny. Silikony, jako doskonałe izolatory elektryczne o wysokiej odporności termicznej, są wykorzystywane do:

• produkcji izolatorów i osłon kablowych,
• impregnacji i zalewania elementów elektronicznych,
• uszczelniania obudów urządzeń narażonych na działanie wilgoci, kurzu i wibracji,
• wytwarzania klawiatur i paneli dotykowych o miękkim, sprężystym skoku.

W telekomunikacji silikony chronią złącza, anteny i moduły elektroniczne przed ekstremalnymi warunkami zewnętrznymi. W energetyce wysokiego napięcia stosuje się je np. w osłonach przewodów i izolatorach kompozytowych, gdzie ich odporność na wyładowania niezupełne i warunki atmosferyczne zwiększa niezawodność sieci.

Znaczenie gospodarcze i trendy rozwoju

Globalny rynek silikonów, obejmujący zarówno oleje, żywice, jak i elastomery, rozwija się od dekad w tempie wyższym niż wiele tradycyjnych branż chemicznych. Elastomery silikonowe stanowią znaczącą część tego rynku, a ich wartość rośnie wraz z rozwojem sektorów wysokich technologii – elektroniki, medycyny, motoryzacji oraz energetyki odnawialnej.

Znaczenie gospodarcze silikonów wynika z kilku czynników:

• przedłużanie trwałości urządzeń i infrastruktury dzięki odporności na starzenie,
• zwiększanie bezpieczeństwa użytkowania (np. w sprzęcie medycznym i elektrycznym),
• możliwość miniaturyzacji i integracji funkcji (zalewy elektroniczne, mikroukłady),
• wspieranie rozwoju nowych technologii (fotowoltaika, e-mobilność, urządzenia noszone).

W strukturze produkcji wielu krajów silikony są ważnym segmentem przemysłu chemicznego o wysokiej wartości dodanej. Z uwagi na zaawansowanie technologiczne procesów produkcyjnych i formulacji elastomerów powstają wokół nich wyspecjalizowane łańcuchy dostaw – od producentów surowców, przez wytwórców mieszanek, po zakłady przetwarzające i firmy projektujące gotowe wyroby.

Jednocześnie coraz większą rolę odgrywają kwestie zrównoważonego rozwoju. Mimo że silikon nie jest tworzywem biodegradowalnym w klasycznym sensie, trwają prace nad technologiami recyklingu i ponownego wykorzystania produktów silikonowych. Długi czas życia wyrobów oznacza mniejszą częstotliwość wymiany, co w wielu zastosowaniach kompensuje koszty środowiskowe produkcji.

Ciekawym kierunkiem rozwoju są kompozyty silikonowe z dodatkami funkcjonalnymi – przewodzącymi prąd, magnetycznymi, samonaprawiającymi się lub reagującymi na bodźce zewnętrzne. Pozwalają one tworzyć elastyczne czujniki, elementy robotyki miękkiej, a także materiały dla inteligentnych tkanin i urządzeń ubieralnych. W ten sposób klasyczny silikonowy elastomer staje się jednym z fundamentów nowej generacji aplikacji, łącząc chemię krzemu z wymaganiami cyfrowej, zintegrowanej gospodarki.