lunes, 19 de diciembre de 2011

Siliconas

INTRODUCCION

Las siliconas son compuestos inertes, sintéticos con una gran variedad de formas y usos. Por lo general son resistentes al calor y similares a los elastómeros, que se utilizan en selladores, adhesivos, lubricantes, aplicaciones médicas (por ejemplo, los implantes mamarios), utensilios de cocina, y aislamiento térmico.
Las siliconas son polímeros que incluyen silicio junto con carbono, hidrógeno, oxígeno, y en ocasiones otros elementos químicos. Algunas formas comunes incluyen el aceite de silicona, grasa de silicona, caucho de silicona y resina de silicona.
El químico Frederick Kipping fue pionero en el estudio de los compuestos orgánicos de silicio (organosilicios) y acuñó el término silicona.

PROPIEDADES
Algunas de las propiedades más útiles de las siliconas son:
- Baja reactividad química.
- Baja toxicidad.
- Estabilidad térmica (propiedades constantes en un amplio rango de temperaturas de -100 a 250°C). Cuando la silicona se quema en el aire o el oxígeno, forma sílice sólida (dióxido de silicio) en forma de un polvo blanco y varios gases. El polvo a menudo se lo denomina humo de sílice debido a que se dispersa fácilmente.
- La capacidad de repeler el agua y forman juntas de estanqueidad, a pesar de siliconas no son hidrófobos.
- Excelente resistencia al oxígeno, el ozono, y la luz ultravioleta (UV) como la luz del sol. Esta propiedad ha llevado al uso generalizado de siliconas en la industria de la construcción (revestimientos, por ejemplo, protección contra incendios y sellado de vidrio) y la industria automotriz (las juntas externas e internas).
- Buen aislamiento eléctrico. Esto debido a que la silicona puede ser formulado para ser eléctricamente aislante o conductor, lo que es adecuado para una amplia gama de aplicaciones eléctricas.
- No se pega.
- No es compatible con crecimiento microbiológico.
- Alta permeabilidad a los gases. A temperatura ambiente (25°C), la permeabilidad de caucho de silicona para los gases como el oxígeno es aproximadamente 400 veces la del caucho butílico, lo que hace de silicona útil para aplicaciones médicas en las que el aumento de aireación es necesario. Sin embargo, las gomas de silicona no se pueden utilizar cuando son necesarios sellos impermeable a los gases.

ESTRUCTURA QUÍMICA
Más convenientemente llamadas siloxanos polimerizados o polisiloxanos, las siliconas son mezclas de polímeros de compuestos orgánicos e inorgánicos con fórmula química (R2SiO)n, donde R es un grupo orgánico, como metilo, etilo o fenilo. Estos materiales consisten en una cadena inorgánica de silicio y oxígeno (-Si-O-Si-O-Si-O-) con grupos laterales orgánicos unidos a los átomos de silicio.
En algunos casos, los grupos orgánicos secundarios pueden ser utilizados para unir dos o más de estas cadenas Si-O. Mediante la variación de la longitud de la cadena Si-O, los grupos secundarios, y reticulación, las siliconas se pueden sintetizar con una amplia variedad de propiedades y composiciones lo que permite variar la consistencia, de líquido a gel o de goma a plástico duro. El siloxano más común es el polidimetilsiloxano lineal (PDMS), un aceite de silicona.
PDMS
El segundo grupo más grande de materiales de silicona está basado en resina de silicona, que se forman por oligosiloxanos ramificados.
Resina de silicona
Las siliconas constituyen buenos elastómeros porque la cadena principal es muy flexible. Los enlaces entre un átomo de silicio y los dos átomos de oxígeno unidos, son altamente flexibles a la vez que son muy fuertes. El ángulo formado por estos enlaces, puede abrirse y cerrarse como si fuera una tijera, sin demasiados problemas. Esto hace que toda la cadena principal sea flexible.


Origen del nombre silicona
F. Kipping acuñó la palabra "silicona" en 1901 para describir la polidifenilsiloxano por analogía de su fórmula, Ph2SiO, con la fórmula de la cetona benzofenona, Ph2CO (Ph representa fenilo: C6H5). Kipping era consciente de que la polidifenilsiloxano es polimérico, mientras que la benzofenona es monomérica y señaló que entre la Ph2SiO y la Ph2CO había una química muy diferente.
En realidad un grupo de silicona con un doble enlace entre el oxígeno y el silicio no suele existir en la naturaleza, los químicos encuentran que el átomo de silicio generalmente forma enlaces simples con dos átomos de oxígeno, en lugar de un doble enlace a un solo átomo. Los polisiloxanos son algunas de las muchas sustancias comúnmente conocidas como "siliconas".

Las moléculas que contienen dobles enlaces silicio-oxígeno no existen y se llaman silanonas. Se han estudiado varias silanonas en matrices de argón (atmósfera inerte) y en fase gaseosa, pero son altamente reactivas. A pesar de su reactividad, las silanonas son importantes como intermediarios de procesos en fase gaseosa como la deposición de vapor químico en microelectrónica, en la técnica de formación de la cerámica por combustión y en astroquímica.

Polisilanos
En 1949, C.A. Burkhard que trabajaba en el departamento de investigación y desarrollo de la compañía General Electric inventó un polisilano llamado polidimetilsilano. Burkhard lo logró, haciendo reaccionar sodio metálico con diclorodimetilsilano.

Formaba cristales tan duros, que nada podía disolverlos. Burkhard trató de calentarlos, pero por encima de 250ºC, se descomponían sin fundir. Eso hizo que el polidimetilsilano fuera bastante inútil.
En los años '70 algunos científicos buscando obtener compuestos con anillos de átomos de silicio, hicieron reaccionar el sodio metálico con diclorometilsilano y diclorometilfenilsilano. Lo que se obtuvo no fueron anillos de silicio sino un copolímero:

Los grupos fenilo impiden que el polímero pueda cristalizar, por lo tanto no es cristalino como el polidimetilsilano. Esto significa que es soluble y que puede ser procesado.
Los polisilanos tienen la característica de que pueden conducir la electricidad. No tanto como el cobre, pero mucho mejor de lo que podría esperarse para un polímero. También son muy resistentes al calor, casi hasta 300ºC, pero si se los calienta un poco más, puede producirse carburo de silicio, que es un material abrasivo muy útil.

SÍNTESIS
La sílice (dióxido de silicio), común en piedra arenisca y arena de la playa y en otras materias naturales, es el material inicial del cual se producen siliconas (la sílice es también ampliamente utilizado en la producción de vidrio). Las siliconas son sintetizadas a partir de clorosilanos, tetraetoxisilano, y compuestos relacionados.
En la producción de la silicona PDMS, el material de partida es dimetildiclorosilano, que reacciona con el agua de la siguiente manera:
Durante la polimerización, se produce cloruro de hidrógeno como subproducto.
Para siliconas de uso comercial y médico, se desarrolló un proceso en que los átomos de cloro en el precursor de silano fueron sustituidos por grupos acetato, que producen ácido acético como subproducto de reacción (Menos peligroso que el HCl. El ácido acético se encuentra en el vinagre) pero el proceso de curación es mucho más lento. Esta reacción química se utiliza en muchas aplicaciones como la masilla y adhesivos de silicona.
Se pueden introducir ramificaciones o entrecruzamientos en la cadena polimérica mediante el uso de precursores de silano con más grupos ácido y menos grupos metilo, como metiltriclorosilano. Lo ideal sería que cada molécula de dicho compuesto se convierte en un punto de ramificación. Este proceso puede ser utilizado para producir resinas de silicona dura. Del mismo modo, los precursores con tres grupos de metilo se pueden utilizar para limitar el peso molecular, ya que cada molécula de este tipo sólo tiene un sitio reactivo y por lo tanto constituye el final de una cadena de siloxano. Las resinas de silicona modernos se hacen generalmente usando tetraetoxisilano, que reacciona de una manera más suave y controlable que los clorosilanos.
El dimetildiclorosilano puede ser obtenido por reacción de cloruro de metilo con silicio catalizada por cobre en reactores de lecho fluido.

USOS
Las siliconas se usan en muchos productos, y se incluyen como componentes de otros. Las siliconas se utilizan en sellado de acuarios, en la industria automotriz, recubrimientos, artículos de cocina, disolvente de limpieza en seco, antiespumante, electrónica, lubricantes, cortafuego, etc.

Sellador
Los selladores de silicona son muy utilizados en la fabricación de acuarios, No sólo cumple una función de sellado, sino también, de unión de las placas de cristal. Las juntas de vidrio hecho con sellador de silicona pueden soportar una gran presión, lo que hace innecesario la construcción de acuarios con ángulos de hierro y masilla como sellador. No todas las siliconas comerciales son seguras para la fabricación de acuarios. Las siliconas no suele utilizarse para la fabricación de acuarios de acrílico ya que no tienen buena adhesión a los plásticos a largo plazo.
Sellador

Industria automotriz
En el campo automotriz, la grasa de silicona se utiliza normalmente como un lubricante para los frenos ya que es estable a altas temperaturas, no es soluble en agua, y es mucho menos probable una falla que con otros lubricantes. Los cables de las bujías están aisladas por varias capas de silicona para evitar que las chispas salten a los cables adyacentes, causando fallas. Las láminas de silicona se utilizan para la fabricación de juntas para los motores de automóviles, transmisiones y otras aplicaciones. Además, los compuestos de silicona, como el caucho de silicona se utilizan como recubrimientos y selladores para airbags (bolsas de aire), la alta resistencia de goma de silicona hace que sea un óptimo adhesivo / sellador de bolsas de aire de alto impacto.
Lubricante de silicona

Recubrimiento
Muchas telas pueden ser recubiertas o impregnadas con silicona para formar un compuesto fuerte y resistente al agua, como el silnylon.
Prendas y artículos de silnylon

Medicina
Las siliconas se utiliza en implantes quirúrgicos (ejemplo: implantes de mamas) tanto para fines reconstructivos como para fines netamente estéticos. Tambien se utiliza para imitar los tejidos para recubrir protesis de miembr
Implante de mama

Prótesis de miembro inferior recubierto de silicona


Utensilios de cocina
- Algunas siliconas pueden ser utilizadas como material "no tóxico" en contacto con los alimentos. La silicona se está convirtiendo en un producto importante en la cocina, en especial para hornear y en utensilios.
- La silicona es utilizada como un aislante resistente al calor en agarraderas y artículos similares, sin embargo, es más conductor del calor que otros materiales menos densos similares. Los guantes de silicona horno son capaces de soportar temperaturas de hasta 260°C (500°F), lo que permite tolerar el agua hirviendo.
- Es ampliamente utilizada para fabricar moldes para chocolate, hielo (cubeteras), galletas, magdalenas y otros alimentos diferentes.
Moldes para hornear
- También es utilizada para confeccionar otros productos tales como tapas, manteles, espátulas, cucharas, etc.
Espátulas de silicona

Juguetes
El polidimetilsiloxano hace algo realmente extraño cuando se lo mezcla con ácido bórico, o B(OH)3. La mezcla es suave y dúctil, y puede ser moldeada fácilmente con los dedos. Pero también es muy elástica. Más aún, al tocarla suavemente se desliza, pero al golpearla fuerte con un martillo y se quiebra. Si se esparce sobre un papel de diario y se aprieta, el texto del diario queda impreso en ella. No se ha encontrado una aplicación industrial para este maravilloso material, pero se han vendido toneladas del mismo a través del juguete llamado Silly Putty.


Anti-espuma
Las siliconas se utilizan como compuesto activo en antiespumantes, debido a su baja solubilidad en agua y buenas propiedades de propagación.
Antiespuma

Limpieza en seco
La silicona líquida puede ser utilizada como un disolvente para limpieza en seco, proporcionando una alternativa al tradicional cloro que contiene el solvente percloroetileno (PERC). Además, la silicona líquida es químicamente inerte, no reacciona con las telas o los tintes durante el proceso de limpieza, reduciendo así la cantidad de la de las prendas. El uso de siliconas en la limpieza en seco reduce el impacto ambiental de la industria tintorera, por lo general, altamente contaminantes

Electrónica
Los componentes electrónicos son a veces envueltos, en un proceso llamado encapsulamiento, en silicona para aumentar la estabilidad frente a impactos mecánicos y eléctricos, radiaciones y vibraciones.
Las siliconas se utilizan cuando durabilidad y alto desempeño se exigen en condiciones difíciles, como en el espacio (tecnología satelital). A veces, son seleccionadas por sobre el encapsulado de poliuretano o epoxi cuando se requiere una amplia gama de temperaturas de funcionamiento (-65 a 315ºC). Las siliconas también tienen la ventaja de presentar un bajo calor exotérmico durante el curado, baja toxicidad, buenas propiedades eléctricas y alta pureza. Existen en el mercado productos para recubrimiento de circuitos impresos curables a temperatura ambiente (RTV: Room Temperature Vulcanization) lo cual presenta la ventaja de que no exista daño en los componentes electrónicos por efecto de la temperatura.
Recubrimiento de circuito con silicona

El uso de siliconas en la electrónica, sin embargo, no está exento de problemas. Las siliconas son relativamente caras y pueden ser atacados por los disolventes. La silicona fácilmente migra como un líquido o vapor a otros componentes.
La contaminación de silicona de contactos de los interruptores eléctricos puede provocar fallos, causando un aumento de la resistencia de contacto. A menudo alarga la vida de los contactos, pero el uso de productos en aerosol a base de silicona en los dispositivos electrónicos durante el mantenimiento o las reparaciones pueden causar fallas más tarde.
Las siliconas también se utilizan en la composición de pasta térmica en contacto de transistores o circuitos integrados con disipadores de calor para mejorar la transferencia de calor y evitar sobrecalentamiento de los componentes electrónicos.
Pasta térmica (en blanco)

Corta fuego
La espuma de silicona se ha utilizado en edificios de América del Norte en un intento de evitar la propagación de las llamas y el humo de una habitación a otra. Sin embargo, la espuma de silicona para barreras contra el fuego ha sido objeto de controversia debido a la composición del gas y humo que se desarrolla en la pirólisis de los componentes dentro de la espuma. Las barreras contra el fuego de silicona también se utilizan en los aviones.

Otros usos
Además de un gran número de elementos elaborados con silicona, también existen productos que llevan en su composición, compuestos de silicona. Su uso es muy común en productos cosméticos, champús, fijadores para el cabello, cremas, etc.
Fijador para el cabello en spray







Fuentes:
Handbook of Sealant Technology - K.L. Mittal, A. Pizzi
en.wikipedia.org
pslc.ws
quimica.laguia2000.com
www.raholin.com

24 comentarios:

  1. Waaaaa!!! Mil gracias tu blog me esta ayudando demasiado con las tareas e investigaciones de mi carrera... Mil gracias buen día! :)

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    1. Me alegra que te sea útil. Suerte con tu carrera. Saludos

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  2. Los fábricantes silicona deben estar contentos, se usa en un montón de cosas. Creo que fue un gran invento!

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  3. Muchas gracias por la información! Me es muy útil para un trabajo de investigación que debo de realizar. Solo quisiera saber si tiene alguna información sobre los mecanismos por los cuales la silicona afecta al cuerpo cuando llega a haber un daño.

    Gracias!

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    1. Hola Gabriela, cuando me puse a buscar información sobre el tema, para escribir el artículo, me topé con los siguientes links que me parecieron interesantes http://revistas.concytec.gob.pe/scielo.php?pid=S1028-71752004000300007&script=sci_arttext
      http://www.elmundo.es/salud/1998/317/00153.html

      Saludos

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    1. Muy lindo articulo!!! La silicona es excelente tambien para moldes de esculturas!

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    2. Gracias. Efectivamente, se usan moldes de caucho de silicona para hacer esculturas de escayola, porcelana fría, resina, etc. Si bien son un poco costosos, la duración y la calidad de copiado son excelentes.
      Saludos

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  5. y como se fabrican las pegas escolares transparentes que dicen ser a base de silicone??

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    1. Hola Jorge. En general, estos adhesivos están compuestos de algún polidiorganosiloxano curable a temperatura ambiente, pero no dispongo de la formulación exacta. Tal vez puedas buscar en internet alguna patente de un adhesivo de silicona líquida, como por ejemplo…
      http://www.freepatentsonline.com/8431647.html
      Saludos

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  6. Porque la silicona se adhiere? Pues, químicamente que es lo que hace que tenga la propiedad de fijar ciertas cosas y otras no?

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    1. Hola Rafaman. Hay varios factores que influyen en la adhesión. De hecho, existen cinco teorías principales para explicar el por qué un material se adhiere a otro. Estas son la adhesión mecánica, química, dispersiva, electrostática y difusiva. Ninguna de estas teorías explicaría por si sola la adhesión de un determinado adhesivo a los diferentes sustratos. Pienso que según el sustrato serán distintas las fuerzas de adhesión que estén involucradas.
      Saludos

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  7. Me gustaría saber si la silicona podría ser un material sustitutivo al látex en su uso principal en guantes qurúrjicos.
    Saludos

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    1. Se pueden hacer guantes quirúrgicos de silicona. De hecho, creo que se comercializan algunos, pero son bastante más costosos que los habituales de látex. Saludos

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  8. Estimado intento fabricar un sensor solido o semisolido para detectar el aumento de CO2 en un medio liquido (SANGRE). Uno de los componentes del sensor es un indicador de pH (azul de bromotimol) que vira de color azul-verde al amarillo ante la presencia de dioxido pues cambia el ph. Puedo utilizar una membrana de silicona para q este cambio se de solo por el dioxido, aprovechando la permeabilidad al mismo? Que tipo de silicona podría utilizar? es facil de fabricar? Gracias

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    1. Hola Ulises. No sabría decirte si funcionaría. Algunas de las siliconas mas permeables pueden ser el poli(vinil-metil-siloxano) o el poli(dimetil-siloxano). Estas son utilizadas para fabricación de membranas para oxigenación de sangre, separación de gases, liberación controlada de fármacos, etc. No creo que sea difícil de fabricar una lámina de silicona. En general se consiguen como bicomponentes, que al mezclarse y con aporte de calor, reticulan. La cuestión estaría en fabricar la membrana del espesor adecuado para permitir el paso del CO2. También habría que ver si la cantidad de dióxido que atraviesa la membrana es el necesario para el viraje de color del indicador. Sería cuestión de hacer algunas pruebas. Suerte
      Saludos

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  9. hola, muy bueno el blog! Necesito preguntarte si una tapa de silicona transparente usada en un tupperware (recipientes) para guardar alimentos, permiten el paso de radiación UV? la verdad es que sería ideal que los rayos uv pudiesen atravesar esta silicona porque necesito que la luz uv llegue al alimento. La luz uv puede atravesar la silicona? por otro lado, la luz UV puede producir algun producto no deseado al ponerse en contacto con la silicona (PDMS)?

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    1. Hola Mariela. Me alegro que te haya gustado el blog. Supongo que la silicona absorberá parte de la radiación UV, dependiendo de su longitud de onda. Si bien la silicona presente una excelente resistencia a la luz UV, esta puede llegar a generar la escisión de la cadena polimérica y foto-oxidación pudiendo formar otros productos.
      Saludos

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  10. Hola Mariano, gracias por toda esta información. He podido leer que la silicona es baja en toxicidad a altas temperaturas. Tengo una duda, tengo una destiladora de agua en la que la silicona que hace de junta está en contacto con el vapor de agua, vapor que luego se convierte en agua que bebemos en casa, ¿este contacto podría soltar algún elemento tóxico ? Gracias. Un saludo

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    1. Hola Noli. Dependerá del tipo de silicona. Si la resina ha sido formulada para esa finalidad, no debería lixiviar elementos tóxicos. Deberías contactar con el fabricante del producto.
      Saludos

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  11. Hola Mariano muy interesante tu blog. Fabrico productos para plomeria y seria interesante hacer sellador de siliconas en cartucho, podes orientarme o darme bibliografia sobre este tema?
    Gracias
    roberto tonietti

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    1. Hola Roberto. Puedes comprar el sellador de silicona a granel y envasarlo o formular el sellador. Para lo cual, te sugiero que busques alguna patente para sellador de silicona como, por ejemplo,…
      http://www.google.com/patents/US4711928
      http://www.google.com.ar/patents/WO2001053425A2?cl=en
      http://www.google.co.in/patents/US5519104
      Saludos

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  12. Hola con todos, me interesara saber cuales son los efectos secundarios de inhalar los gases que desprenden estas siliconas y en particular de las siliconas termicas.

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    1. Hola Ricardo. Los efectos causados a la salud dependerán de la composición de la silicona. Deberías ver las hojas de seguridad de un producto en particular como, por ejemplo,…
      http://www.crcindustries.com/faxdocs/msds/814055.pdf
      En general, los proveedores de siliconas y otros compuestos facilitan esta información.
      Saludos

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