シリコンはなぜ柔らかいのに耐熱性が高いのでしょうか?{0}}

多くの人にとってシリコンというと、天板、シャベル、ケーキ型など、キッチンにあるものを思い浮かべます。これらは握りやすいですが、オーブンに入れると非常に耐熱性が高くなります。- 200度を超える高温から出ても、目に見える「溶け」はありません。

ビニール袋、輪ゴム、綿など、私たちが普段触れている柔らかい素材は、温度が高くなるとベタベタしたり、変形したり、溶けてしまうこともあります。

なぜシリコンは「直感に反して」柔らかさと高温耐性を実現できるのでしょうか?今日はこの問題を構造、電子的挙動から工学的応用まで解説します。

シリコーン (より正確には、ポリジメチルシロキサン (PDMS) を主鎖として室温または高温で加硫したシリコーンゴム) は、一般的な有機ゴム - Si-O-Si 無機有機ハイブリッド主鎖とはまったく異なる「骨格」を持っています。この主鎖が「柔らかさ」と「耐熱性」を同時に決定します。

結合長が長く、結合角が広い: Si-O 結合は C-C 結合よりも長く、Si-O-Si の結合角も大きくなります。これら 2 つの組み合わせにより、チェーン セグメントが回転するための「移動のためのスペース」が大きくなり、チェーンが前後に曲がりやすくなります - したがって、ガラス転移温度 (Tg) は非常に低くなります (PDMS Tg は通常約 -120 度です)。室温がTgよりはるかに高い世界では、当然「軟体動物」です。

サイドベースの「潤滑」: 最も一般的なシリコンサイドベースは - CH3 です。メチル基はサイズが小さく、相互作用が弱いです。分子レベルで目に見えない潤滑油を塗布するかのように、チェーン同士はあまり「ベタベタ」しません。肉眼的には柔らかく見え、緩やかな反発力を持っています。

低い回転障壁: Si-O 結合の周囲の回転抵抗は小さく、セグメントは相互接続された接合部のように柔軟であり、これが低 Tg の微細な原因でもあります。

Si-O 結合自体は切断能力が非常に高いです。Si-O 結合の結合エネルギーは、一般的な C-C および C-O 結合の結合エネルギーよりも大幅に高く、「切断」するにはより高いエネルギーが必要となるため、高温では簡単には切断されません。

無機骨格: 有機ゴムの主鎖は一般に C-C または C-O であり、熱酸素条件下では反応性フリーラジカルによる攻撃を受けやすくなります。 Si-O 主鎖はより安定しており、熱酸化老化がより遅くなります。

火災時の保護シェルが付属: シリコーン ゴムは、高温や裸火の下で二酸化ケイ素 (SiO ₂) に似た緻密な無機灰層を生成します。これは、耐熱性のシェルで素早く覆い、熱と酸素の侵入を遮断するためです。そのため、一般に「自己消火性」と「液だれしない」という特徴があります。{0}}

一文で要約すると:

柔らかさは鎖の柔軟性と弱い分子間相互作用によってもたらされ、耐熱性は強い Si-O 結合と無機熱分解生成物によってもたらされます。この 2 つは矛盾するものではありません。