A dimetil-polisziloxán (PDMS, E900) a legszélesebb körben használt szilícium alapú szerves polimer. Rendkívül sok területen alkalmazzák, a kontaktlencséktől kezdve orvosi műszereken, samponokon, síkosító olajokon keresztül egészen hőálló bevonatokig.
A dimetil-polisziloxán egy teljesen átlátszó, szobahőmérsékleten szilárd vegyület. Alig reakcióképes, nem mérgező, nem gyúlékony.
Kémiai tulajdonságok A dimetil-polisziloxán képlete (H3C)3[Si(CH3)2O]nSi(CH3)3, ahol n az ismétlődő SiO(CH3)2 monomer egységek száma.
Iparilag dimetil-klórszilánból, víz hozzáadásával szintetizálják:
n [Si(CH3)2Cl2] + n [H2O] → [Si(CH3)2O]n + 2n HCl
A polimerizáció alatt hidrogén-klorid gáz szabadul fel, ezért élelmiszeripari és gyógyszerészeti célokra szánt dimetil-polisziloxán szintetizálásakor a prekurzor szilánban található klórt acetáttal helyettesítik. Az eljárás hátránya, hogy így a reakció sokkal lassabban megy végbe. A Si(CH3)2Cl2 hidrolízise olyan polimert hoz létre, amely szilanolcsoportokra (−Si(CH3)2OH) végződik. Ezeket a reaktív centrumokat, jellemzően trimetil-szilil-kloriddal történő reakcióval „lezárják”:
2 Si(CH3)3Cl + [Si(CH3)2O]n−2[Si(CH3)2OH]2 → [Si(CH3)2O]n−2[Si(CH3)2OSi(CH3)3]2 + 2 HCl
A több savképző csoportot és kevesebb metilcsoportot tartalmazó szilán prekurzorok, mint például a metil-triklór-szilán, felhasználhatók arra, hogy elágazásokat vagy keresztkötéseket vigyenek be a polimerláncba. Ideális körülmények között az ilyen vegyület minden molekulája elágazási ponttá válik, ami miatt kemény szilikongyanták előállítására használható. A kiindulási szilán szerkezeti összetételével a végtermék fizikai és kémiai tulajdonsága nagyon pontosan szabályozható. A metilcsoportok helyett savas kémhatású csoportokat a láncba építve a polimerláncok között keresztkötések alakulnak ki. Így készülnek például a kemény szilikongyanták. Hasonlóan, minél több szilánmolekulán található három darab metilcsoport, a molekulák annál rövidebb láncba rendeződnek, mivel így csak egy reaktív régió található a monomeren, vagyis kizárólag csak a lánc végéhez csatlakozhat, ezért a lánc nem tud folytatódni. Ez természetesen kihatással van az átlagos molekulatömegre is, azaz minél több szilánmolekulán van három metilcsoport, a polimerláncok annál rövidebbek lesznek.
A dimetil-polisziloxán viszkozitása nagyon széles skálán mozoghat. Rendkívül folyékony, könnyen önthető folyadék is lehet, ha rövid polimerláncok alkotják (n nagyon alacsony). Ugyanakkor a hosszú láncokból (ha n nagyon magas) álló anyag kemény, gumiszerű. A PDMS molekulák meglehetősen rugalmas polimer vázzal (lánccal) rendelkeznek a sziloxán kötéseik miatt, amelyek hasonlóak a poliuretánok gumiszerűségét létrehozó éterkötésekhez. Az ilyen molekulatömegű, rugalmas láncok lazán összegabalyodnak és ez eredményezi a PDMS szokatlanul magas viszkoelaszticitását.
Fizikai tulajdonságok bélyegkép|A Sylgard 184 PDMS-ben egyenes arányosság figyelhető meg a kikeményítésnél alkalmazott hőmérséklet és a Young-modulus között A dimetil-polisziloxán viszkoelasztikus, azaz lassú, hosszan tartó erőhatásra (vagy magas hőmérséklet esetén) folyadékként viselkedik, de gyors, nagy erő esetén rugalmas, gumiszerű tulajdonságokkal rendelkezik. Más szóval, ha egy darab dimetil-polisziloxánt hagyunk az asztalon, az idővel szétfolyik a felületen, egyenletesen beterítve azt. Ellenben ha nekidobjuk az asztalnak, akkor gumilabdához hasonló módon visszapattan.
bélyegkép|Szilárd dimetil-polisziloxán egy sztereómikroszkóp lencséjén.
Bár a dimetil-polisziloxán viszkoelasztikus tulajdonsága jól megfigyelhető, rendkívül pontos mérésekre is alkalmas. A hőmérséklet növelésére folyékonysága lineárisan növekszik, azaz a folyékonyságot mérő műszerek kalibrálásához ideális vegyület, ráadásul, mivel kémiailag nem túl aktív, nagyon kicsi a valószínűsége a kémiai szennyeződésekből fakadó mérési hibáknak.
A nyírási modulusza a gyártási eljárástól és a keletkezett vegyület minőségétől függően 100 kPa és 3 MPa között mozog. A dielektromos veszteségi szöge nagyon alacsony (tg δ << 0,001).Lotters, J. C.; Olthuis, W.; Veltink, P. H.; Bergveld, P. "The mechanical properties of the rubber elastic polymer polydimethylsiloxane for sensor applications" J Micromech Microeng 1997, 7, (3), 145-147.
Kémiai tulajdonságok A PDMS hidrofób (víztaszító). Oxigénplazmás kezeléssel megváltoztatható a felületkémiája, oxidálva azt, szilanol (SiOH) csoportok adhatók a felületéhez, ehhez levegőből létrehozott plazma is használható. Ez a kezelés a PDMS felületét hidrofillé teszi, a víz jól nedvesíti (közel 0° peremszöggel). Az oxidált felület triklór-szilánokkal való reagáltatással tovább funkcionalizálható. Egy bizonyos idő elteltével a felület visszaalakul hidrofóbbá, függetlenül attól, hogy vákuumban, levegőben vagy vízben van. Az oxidált állapota (melyet a víz jól nedvesít) körülbelül 30 percig marad meg. Alternatív megoldásként olyan alkalmazásoknál, ahol a hosszú távú hidrofilitás követelmény, olyan technikák használhatók, mint a hidrofil polimeres kezelés, felületi nanostrukturálás és dinamikus felületmódosítás, beágyazott felületaktív anyagokkal. A szilárd PDMS mintákba a vizes oldószerek nem tudnak elnyelődni és ezért nem duzzasztják meg (még az oxidált, hidrofil felületűek sem). Így a PDMS szerkezetek vízzel és alkoholos oldószerekkel azok deformációja nélkül használhatók. A legtöbb szerves oldószer azonban bediffundál az anyagba, és megduzzad. Ennek ellenére egyes szerves oldószerek mégis elegendően kis duzzadáshoz vezetnek, ezért PDMS-sel együtt használhatók, például a PDMS mikrofluidikai eszközök csatornáiban. A duzzadás mértéke nagyjából fordítottan arányos az oldószer oldhatósági paraméterével. A diizopropil-amin a legnagyobb mértékben duzzasztja a PDMS-t; oldószerek, például kloroform, éter és THF szintén jelentős duzzadást okoz. Más oldószerek, például az aceton, az 1-propanol (izopropanol) és a piridin csak kis mértékben duzzasztják meg az anyagot. Az alkoholok és a poláros oldószerek, mint a metanol, a glicerin és a víz nem nyelődnek el benne és ezért gyakorlatilag nem duzzasztják a PDMS-t.
Felhasználása Nagyon elterjedt anyag, szinte mindenki találkozott már vele. Olcsó és egyszerű előállítása és jó mechanikai jellemzői miatt sok hétköznapi, ipari és tudományos alkalmazása van.
Felületaktív anyagok és habzásgátlók A PDMS - származékok gyakoriak a felületaktív anyagok és a habzásgátlók összetevői között. A PDMS-t módosított formában gyomirtók bejutást segítő anyaga és a víztaszító bevonatok, például alapvető összetevője.
Hidraulikafolyadékok és kapcsolódó alkalmazások A dimetikont szilikonolajokban használják az autók viszkózus, korlátozott csúszású differenciálműveiben és tengelykapcsolóiban.
Lágy litográfia A PDMS-t gyakran használják a lágy litográfiai eljárásokban, így ez a mikrofluidikai chipek egyik legelterjedtebb anyaga. A lágy litográfiás eljárás során egy rugalmas öntvényt hoznak létre. Ez akár néhány nanométeres pontossággal képes lemásolni az öntőformája alakját, melyet általában szilícium, üveg, vagy polimer felületeken (hordozó) hoznak létre. Az öntőforma általában fotolitográfia vagy elektron-nyaláb litográfia technikáival készül. A létrehozott struktúra részletessége, térbeli felbontása az alkalmazott litográfiás technika feloldóképességétől függ. Fotolitográfia esetében a maszkon létrehozható legkisebb részlet méretétől, ami kisebb lehet, mint 6 nm. A PDMS használatának széles körű elterjedése a mikrofluidika területén erre a célra nagyon előnyös mechanikai tulajdonságainak köszönhető, illetve annak, hogy kiváló optikai tulajdonságokkal is rendelkezik. Ugyanis a teljes látható tartományban átlátszó, minimális az autofluoreszcenciája. Ezek alkalmassá teszik a belőle készített mikrofluidikai eszközökön belüli fluoreszcens képalkotást, például mikroszkópos képek készítését. Az orvosbiológiai (vagy biológiai) mikroelektromechanikai rendszerekben (bio-MEMS) a lágy litográfiát széles körben használják mikrofluidikában, szerves és szervetlen anyagok környezetében egyaránt. Szilícium lapkákon hozzák létre az öntőformát, majd a PDMS-t ráöntik ezekre és hagyják megkeményedni (ez hő hatására következik be, szobahőmérsékleten nagyjából egy nap alatt, míg például 90 °C-on nagyjából 10 perc alatt, az Arrhenius törvénynek megfelelően). Ha ezután leválasztják a felületről, az öntőforma legapróbb részletei is benne maradnak a PDMS-ben. A leválasztott PDMS blokk ezután oxigénplazmás felületmódosításon esik át, mely plazmatisztítóval történik. Az oxigénplazma felszakítja a felületi szilícium-oxigén kötéseket. Az így módosított felületű PDMS-t kémiailag hozzáköt a hozzáérintett üveg, vagy szilíciumfelülethez. Az üvegbéli Si atomok, vagy a szilíciumfelület atomjai és a PDMS-beli oxigénatomok között, ragasztóanyag nélküli erős kötést hozva létre. Az így létrehozott eszközökkel a kutatók különféle felületkémiai technikákat alkalmazhatnak különböző funkciókhoz, vagy például egyedi lab-on-a-chip eszközöket hozhatnak létre, lehetőséget nyújtva ezzel gyors, párhuzamos vizsgálatokhoz. Direktben lehet PDMS felületi mintázatot kialakítani az úgynevezett felületi-töltés litográfiával.
Sztereo-litográfia A sztereo-litográfia (SLA), 3D nyomtatási folyamata során (UV) fényt vetítenek a fényre szilárduló gyantára és annak csak a megvilágított része keményedik meg. Egyes SLA-nyomtatók esetében, a nyomtatás során a gyantatartály legalján egy vékony rétegben keményítik meg a gyantát, majd egy réteg vastagságával feljebb emelik az éppen nyomtatás alatt levő tárgyat. Minden réteg elkészülte után le kell húzni (felemelni) a nyomtatás alatt álló tárgyat a tartály aljáról, hogy a következő réteg helyére friss, még meg nem keményedett gyanta juthasson. A tartály alján egy PDMS réteg segíti ezt az ismétlődő leválasztási folyamatot, ugyanis a benne levő oxigén megakadályozza, hogy a megkeményedő gyanta hozzá tapadjon. Emellett az optikailag teljesen átlátszó PDMS azt is lehetővé teszi, hogy a megkeményítéséhez vetített kép, rajta keresztül, torzítás nélkül átjusson a legalsó gyantarétegre.
Élelmiszer- és kozmetikai iparban, orvostudományban
Az aktivált dimetikont (a polidimetil-sziloxánok és szilícium-dioxid keverékét, amit néha szimetikonnak is neveznek) gyakran használják habzásgátlóként, vagy vény nélkül kapható gyógyszerekben szélhajtóként. Számos orvosi implantátum töltőanyaga, bár jelentősége egészségügyi okokból csökkenőben van. Élelmiszerek és kozmetikumok esetén elsősorban csomósodást gátló anyagként, habzásgátlóként és egyes esetekben antioxidánsként (zsírok és olajok felületén védelmet képez az oxigénnel szemben) alkalmazzák. Napi maximum beviteli mennyisége 1,5 mg/testsúlykg. Ilyen mennyiségben nincs ismert mellékhatása.Food-Info.net : E-numbers : E900 : Dimethyl-polysiloxane Számos esetben a PDMS-t sűtőolajhoz adják (habzásgátló szerként), hogy megakadályozzák az olaj szétfröcsögését, sütés közben. Ennek eredményeként a PDMS nyomokban megtalálható számos gyorséttermi ételben. Például a McDonald's Chicken McNuggets-ben kapható sült krumpliban és turmixokban és a Wendy's sült krumplijában is. Az európai élelmiszer-adalékok listáján E900 néven szerepel. Fejtetű elleni védekezés során is alkalmazható. Úgy gondolják, hogy hatása nem az élősködők fulladásnak (vagy mérgezésnek) tudható be, hanem a vízkiválasztás gátlása miatt. A rovarok pusztulását a bélrendszerük működésében bekövetkező zavar okozza. A dimetikon az egyik macskákra permetezhető bolhairtó készítmény hatóanyaga, amely ugyanolyan hatásosnak bizonyult, mint a széles körben használt, de mérgező piriproxifen/permetrin spray. A parazita beleragad, csapdázódik a bőrre vagy szőrre felvitt anyagban, ami így több, mint három hétig meggátolja a befújt macskán a kifejlett bolhák megjelenését. A PDMS-t széles körben használják óvszer síkosítóként. Kozmetikumokban (krémek) hidratálóként is előfordul, némely esetben akár 15 tömegszázalékos töménységben is. Bőrrel érintkezve nincs ismert mellékhatása.