Silicone được sản xuất và xử lý trong máy ép phun như thế nào?

Silicone được sản xuất như thế nào? Hóa học đằng sau vật liệu

Silicone là một loại polymer tổng hợp có khung chính được tạo thành từ các nguyên tử silicon và oxy xen kẽ - một cấu trúc được gọi là chuỗi siloxane - chứ không phải là khung carbon-to-carbon được tìm thấy trong nhựa hữu cơ như polyetylen hoặc polypropylen. Sự khác biệt cơ bản trong cấu trúc phân tử này là điều mang lại cho silicone tính ổn định nhiệt đặc biệt, tính trơ về mặt hóa học, tính linh hoạt trong phạm vi nhiệt độ rộng và khả năng chống phân hủy tia cực tím. Hiểu cách silicone được tạo ra từ nguồn gốc nguyên tố thô cho đến chất đàn hồi hoàn thiện giúp các kỹ sư, nhà thiết kế sản phẩm và nhà sản xuất đánh giá cao lý do tại sao vật liệu này hoạt động như vậy và tại sao nó được xử lý khác với nhựa nhiệt dẻo thông thường.

Quá trình sản xuất silicon bắt đầu bằng silicon - nguyên tố phổ biến thứ hai trong lớp vỏ Trái đất, chủ yếu được tìm thấy ở dạng silicon dioxide (SiO₂), thường được gọi là thạch anh hoặc cát silic. Điều quan trọng là nguyên tố silicon khác biệt về mặt hóa học với silicone polymer. Silicon ở dạng thô không mềm, dẻo hoặc ổn định về mặt hóa học trong các điều kiện khác nhau; nó là một kim loại cứng, giòn. Việc biến nó thành polyme silicon linh hoạt được sử dụng trong các thiết bị y tế, phớt ô tô, hàng tiêu dùng và linh kiện công nghiệp đòi hỏi một quy trình hóa học nhiều giai đoạn đưa các nhóm hữu cơ gốc cacbon vào khung silicon, làm thay đổi về cơ bản các đặc tính của nó.

Từ thạch anh đến kim loại silicon: Giai đoạn sản xuất đầu tiên

Bước đầu tiên trong quá trình sản xuất silicone là khử silicon dioxide thành kim loại silicon luyện kim. Điều này được thực hiện trong các lò hồ quang điện lớn, nơi thạch anh (một dạng thạch anh có độ tinh khiết cao) được nung nóng đến nhiệt độ vượt quá 1.800°C với sự có mặt của các chất khử giàu carbon như than đá, than cốc và dăm gỗ. Carbon phản ứng với oxy trong silicon dioxide, giải phóng carbon dioxide và để lại kim loại silicon lỏng với độ tinh khiết khoảng 98–99%. Vật liệu này được gọi là silicon cấp luyện kim (MG-Si) và đóng vai trò là nguyên liệu thô quan trọng để sản xuất polymer silicon.

Silicon nóng chảy được đúc thành thỏi, để nguội và sau đó được nghiền thành bột hoặc hạt để xử lý hóa học tiếp theo. Ở giai đoạn này, silicon vẫn còn lâu mới trở thành một polyme - nó phải trải qua một chuỗi phản ứng hóa học gắn các nhóm metyl hữu cơ vào các nguyên tử silicon, tạo ra các chất trung gian organochlorosilane đóng vai trò là khối xây dựng của tất cả các sản phẩm silicon thương mại.

Quy trình Müller-Rochow: Xây dựng Monome silicon

Việc sản xuất công nghiệp các monome silicon bị chi phối bởi quy trình trực tiếp Müller-Rochow, được phát triển độc lập vào những năm 1940. Trong quá trình này, kim loại silic dạng bột được phản ứng với khí metyl clorua (CH₃Cl) với sự có mặt của chất xúc tác đồng ở nhiệt độ từ 250°C đến 350°C. Phản ứng này tạo ra hỗn hợp các hợp chất chlorosilane, trong đó quan trọng nhất về mặt thương mại là dimethyldichlorosilane - (CH₃)₂SiCl₂. Phân tử này là monome chính mà từ đó phần lớn silicon thương mại được tạo ra.

Hỗn hợp chlorosilane được tạo ra bằng quy trình trực tiếp được tách ra bằng cách chưng cất phân đoạn thành các thành phần riêng lẻ, mỗi thành phần có khả năng phản ứng riêng biệt và tạo ra các cấu trúc polymer silicon khác nhau khi thủy phân. Dimethyldichlorosilane, khi tiếp xúc với nước, trải qua quá trình thủy phân nhanh chóng - các nguyên tử clo được thay thế bằng các nhóm hydroxyl - và các chất trung gian silanol tạo thành ngưng tụ với nhau một cách tự nhiên để tạo thành chuỗi polydimethylsiloxane (PDMS). Tùy thuộc vào điều kiện phản ứng, độ dài chuỗi và hỗn hợp cụ thể của các monome chlorosilane được sử dụng, polyme thu được có thể là chất lỏng có độ nhớt thấp, kẹo cao su có độ nhớt hoặc polyme gốc có trọng lượng phân tử cao thích hợp để kết hợp thành cao su silicon.

Cao su silicon tổng hợp: Từ polyme cơ bản đến vật liệu có thể đúc được

Chỉ riêng polyme polydimethylsiloxane thô không thích hợp cho việc ép phun. Nó phải được kết hợp với một loạt các chất phụ gia để điều chỉnh độ cứng, độ bền kéo, độ giãn dài, khả năng chịu nhiệt, màu sắc và đặc tính xử lý để phù hợp với các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Giai đoạn kết hợp này là nơi vật liệu cao su silicon chức năng được sử dụng trong máy ép phun thực sự được tạo ra và nó liên quan đến việc xây dựng công thức cẩn thận bởi các nhà hóa học vật liệu, những người cân bằng các yêu cầu về đặc tính cạnh tranh với các hạn chế trong quá trình xử lý.

• Chất độn tăng cường: Silica bốc khói là chất độn gia cố được sử dụng rộng rãi nhất trong các hợp chất cao su silicon. Được thêm vào với tải trọng từ 20–50% trọng lượng, silica bốc khói làm tăng đáng kể độ bền kéo và khả năng chống rách bằng cách tương tác với các chuỗi polyme ở quy mô phân tử. Không có cốt thép, polymer silicon nguyên chất có độ bền cơ học rất thấp.
• Các tác nhân liên kết chéo: Để biến đổi polyme silicon tuyến tính hoặc phân nhánh nhẹ thành mạng lưới đàn hồi ba chiều, các tác nhân liên kết ngang phải được kết hợp. Đối với cao su có độ đặc cao (HCR) được sử dụng trong ép phun thông thường, peroxit hữu cơ là chất liên kết ngang truyền thống. Đối với cao su silicon lỏng (LSR), hệ thống xử lý bổ sung có xúc tác bạch kim là tiêu chuẩn, mang lại chu kỳ xử lý nhanh hơn và tính nhất quán tuyệt vời.
• Sắc tố và chất tạo màu: Silicone trong mờ tự nhiên và dễ dàng chấp nhận sắc tố. Oxit sắt, titan dioxide và các chất màu hữu cơ được kết hợp trong quá trình pha trộn để tạo ra đầy đủ các màu sắc theo yêu cầu của các nhà sản xuất sản phẩm tiêu dùng và thiết bị y tế.
• Hỗ trợ chế biến: Việc bổ sung một lượng nhỏ chất hỗ trợ xử lý như dầu silicon hoặc sáp sẽ cải thiện đặc tính dòng chảy của hợp chất trong quá trình ép phun, giảm yêu cầu về áp suất phun và cải thiện việc đổ đầy khuôn trong các dạng hình học khoang phức tạp.
• Phụ gia chức năng: Tùy thuộc vào ứng dụng cuối cùng, các chất bổ sung có thể được kết hợp - chất chống cháy cho các bộ phận cách điện, chất chống vi trùng cho các sản phẩm y tế và tiếp xúc với thực phẩm hoặc chất ổn định nhiệt cho các ứng dụng dịch vụ ở nhiệt độ cao.

Các loại silicone được sử dụng trong ép phun: HCR và LSR

Hai dạng cao su silicon riêng biệt được xử lý trong máy ép phun và chúng khác nhau đáng kể về trạng thái vật lý, hoạt động xử lý và loại máy cần thiết để xử lý chúng. Lựa chọn giữa cao su có độ đặc cao (HCR) và cao su silicon lỏng (LSR) là một trong những quyết định quan trọng nhất về vật liệu trong quá trình phát triển sản phẩm silicon, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bộ phận, thời gian chu kỳ, thiết kế dụng cụ và kinh tế sản xuất.

Cao su có độ đặc cao (HCR)

HCR là một chất rắn, giống như bột nhão ở nhiệt độ phòng với độ đặc tương tự như bột bánh mì cứng. Nó có trọng lượng phân tử cao - thường vượt quá một triệu g/mol - và phải được làm nóng trước và xử lý trước khi chảy đủ để bơm vào khoang khuôn. Các hợp chất HCR thường được xử lý bằng peroxit hữu cơ ở nhiệt độ 150–200°C và thường cần xử lý sau ở nhiệt độ cao để phát triển đầy đủ các tính chất cơ học và loại bỏ các sản phẩm phụ phân hủy peroxide còn sót lại. HCR được biết đến rộng rãi trong việc sản xuất các vòng đệm, miếng đệm, ống và phụ kiện cáp và nó có thể được xử lý trên các máy ép phun cao su cải tiến hoặc máy ép khuôn nén.

Cao su silicon lỏng (LSR)

LSR là hệ thống chất lỏng có thể bơm hai thành phần được cung cấp trong các trống riêng biệt - Thành phần A chứa chất xúc tác polyme cơ bản và bạch kim, trong khi Thành phần B chứa polyme cơ bản và chất liên kết ngang (thường là hợp chất silicon hydrua). Hai thành phần này được đo theo tỷ lệ 1:1 chính xác, trộn trong máy trộn tĩnh hoặc động và được bơm vào khuôn đã được gia nhiệt, nơi phản ứng xử lý bổ sung xúc tác bạch kim xảy ra nhanh chóng, thường trong vòng 10–60 giây ở nhiệt độ khuôn 150–220°C. LSR không tạo ra sản phẩm phụ xử lý, không yêu cầu xử lý sau và mang lại tính nhất quán đặc biệt của bộ phận với độ chính xác về kích thước mà HCR khó đạt được. Nó là vật liệu được ưa chuộng để sản xuất số lượng lớn các thiết bị y tế, sản phẩm chăm sóc trẻ sơ sinh, linh kiện công nghệ có thể đeo và con dấu công nghiệp chính xác.

Máy ép phun silicone/cao su hoạt động như thế nào

Silicon hoặc máy ép phun cao su về cơ bản khác với máy ép phun nhựa nhiệt dẻo tiêu chuẩn ở một số khía cạnh quan trọng, được thúc đẩy bởi tính chất nhiệt rắn của silicone và cao su - những vật liệu xử lý không thể đảo ngược khi đun nóng thay vì mềm đi khi đun nóng như nhựa nhiệt dẻo. Trong máy nhựa nhiệt dẻo, thùng và vít được nung nóng để làm nóng chảy vật liệu và khuôn được làm nguội để hóa rắn bộ phận. Trong máy ép phun silicone/cao su, vật liệu phải được giữ lạnh trong toàn bộ hệ thống phun để tránh việc đóng rắn sớm, trong khi khuôn được làm nóng để kích hoạt và hoàn thành quá trình lưu hóa.

Để xử lý LSR, bộ phận phun được trang bị hệ thống đo và trộn hai thành phần lấy từ hai trống vật liệu bằng bơm bánh răng chính xác, trộn chúng theo tỷ lệ chính xác thông qua cụm máy trộn tĩnh và đưa vật liệu đã trộn vào thùng phun lạnh. Cụm thùng và trục vít được làm mát - thường bằng nước lạnh ở 5–15°C - để duy trì LSR dưới nhiệt độ kích hoạt của nó trong chu kỳ phun. Khi vật liệu được bơm vào khuôn đã được gia nhiệt (150–220°C), nhiệt độ tăng đột ngột sẽ kích hoạt chất xúc tác bạch kim và phản ứng lưu hóa sẽ hoàn thành sau vài giây.

Các thành phần chính của máy ép phun silicone/cao su

Những cân nhắc về thiết kế khuôn cụ thể đối với khuôn ép phun silicone

Thiết kế khuôn cho khuôn ép phun silicon đòi hỏi phải chú ý cẩn thận đến các yếu tố khác biệt đáng kể so với dụng cụ bằng nhựa nhiệt dẻo. Độ nhớt thấp của silicone ở dạng LSR - thường được so sánh với bột kem đặc hoặc bột làm bánh kếp - có nghĩa là nó sẽ dễ dàng chảy vào khe hở nhỏ nhất giữa các bề mặt phân khuôn, tạo ra tia chớp cần phải loại bỏ trong quá trình xử lý sau. Việc đúc silicon không có flash hoặc gần như không có flash yêu cầu dung sai độ phẳng bề mặt phân chia cực kỳ chặt chẽ, thường trong khoảng 2–5 micron và thép công cụ được mài chính xác có độ cứng trên 48 HRC để duy trì các dung sai này qua hàng triệu chu kỳ.

Việc thông hơi rất quan trọng trong thiết kế khuôn silicon vì không khí bị mắc kẹt trong các túi khoang không thể thoát ra ngoài vật liệu như trong một số quy trình xốp - không khí bị mắc kẹt tạo ra các khoảng trống, các khoảng trống ngắn hoặc các khuyết tật bề mặt. Các kênh thông hơi nông tới 3–8 micron được tích hợp tại đường phân khuôn và tại các điểm lấp đầy cuối cùng của mỗi khoang. Thiết kế hệ thống đẩy cũng phải tính đến tính linh hoạt cao và độ bám dính bề mặt của các bộ phận silicon đã được xử lý - việc tháo khuôn mà không làm rách hoặc biến dạng các đặc điểm có thành mỏng thường yêu cầu thiết kế góc nghiêng cẩn thận, kết cấu bề mặt hoặc sử dụng lớp phủ chống bám dính như PTFE hoặc xử lý bề mặt plasma trên các bề mặt khoang.

Các ngành công nghiệp và ứng dụng được phục vụ bởi khuôn ép silicon

Sự kết hợp giữa các đặc tính vật liệu đặc biệt của silicone và độ chính xác có thể đạt được thông qua quá trình ép phun khiến máy ép phun silicone/cao su trở thành trung tâm sản xuất trong nhiều ngành công nghiệp đa dạng đáng chú ý. Mỗi lĩnh vực khai thác một tập hợp con riêng biệt về các đặc tính hiệu suất của silicone và khả năng tạo ra các hình dạng phức tạp với dung sai chặt chẽ ở khối lượng lớn khiến việc ép phun trở thành phương pháp sản xuất được ưa thích trong tất cả các lĩnh vực đó.

• Y tế và dược phẩm: Khả năng tương thích sinh học, khả năng khử trùng và tính trơ hóa học của silicone làm cho nó trở thành vật liệu được lựa chọn cho các thành phần ống thông, miếng đệm thiết bị cấy ghép, kẹp dụng cụ phẫu thuật, mặt nạ hô hấp và màng van phân phối thuốc. Đúc phun LSR cho phép các bộ phận này được sản xuất theo tiêu chuẩn thiết bị y tế Loại III với khả năng truy xuất và xác nhận toàn bộ quy trình.
• Ô tô: Vòng đệm đầu nối, vòng đệm, bốt bugi, ống tăng áp và miếng đệm cho các ứng dụng dưới mui xe phụ thuộc vào khả năng của silicon trong việc duy trì hiệu suất bịt kín ở nhiệt độ từ -60°C đến hơn 200°C trong suốt vòng đời của xe.
• Điện tử tiêu dùng: Vỏ bảo vệ, màng nút, vòng đệm chống thấm cho thiết bị đeo và đầu tai nghe được đúc từ LSR trong các công cụ tạo bọt cao tạo ra hàng triệu bộ phận mỗi năm với độ chính xác về kích thước nhất quán.
• Sản phẩm dành cho trẻ sơ sinh và trẻ vị thành niên: Núm vú giả, núm vú giả, núm ngậm nướu và đầu thìa ăn được làm từ hợp chất LSR cấp thực phẩm và tuân thủ FDA được sản xuất trong khuôn nhiều khoang với quy trình sản xuất vệ sinh nghiêm ngặt.
• Công nghiệp và năng lượng: Vỏ cách điện cho thiết bị truyền tải điện áp cao, màng bơm, van một chiều và phớt xử lý hóa học khai thác sự kết hợp giữa điện trở suất, độ ổn định tia cực tím và khả năng kháng hóa chất của silicone trong môi trường xử lý và ngoài trời đòi hỏi khắt khe.

Từ quặng thạch anh được đưa vào lò hồ quang đến vòng đệm silicon đúc chính xác trên bộ phận cấy ghép y tế, hành trình của silicone từ nguyên liệu thô đến thành phẩm là một trong những quá trình hóa học công nghiệp và kỹ thuật chính xác phối hợp chặt chẽ với nhau. Máy ép phun silicon/cao su nằm ở trung tâm của chuỗi giá trị này - biến đổi polyme nhiệt rắn được chế tạo cẩn thận thành các thành phần hiệu suất cao, chính xác về kích thước được nhúng vô hình nhưng không thể thiếu trong các sản phẩm xác định cuộc sống hiện đại.