シリコンは、その並外れた信頼性により、多くの業界で使用されている常緑素材です。医療におけるさらなるエンジニアリングの進歩から、日常の家庭用品の最も基本的な用途まで、シリコンは私たちが住む世界を作り変える可能性を秘めています。しかし、この素材のユニークな点と、これほど幅広い分野にとって非常に重要な点は何でしょうか。この記事では、シリコンの多面的な用途と利点について、その機能特性、機能的使用法、そしてもちろん、現代のテクノロジー、ヘルスケア、環境への配慮への貢献に焦点を当てて調査します。最近のトレンドや、シリコンが日常生活での経験をどのように向上させるかについて知りたい場合は、このガイドを読むことで、この素晴らしく便利な素材に関する知識が深まります。
シリコンにはどのような種類がありますか?
シリコーンは、配合やサービスに応じてさまざまなニッチに分けることができます。主なタイプは次のとおりです。
- 柔軟性と耐久性に優れた液状シリコーンゴム (LSR) は、熱や化学物質に耐える能力があるため、医療技術、調理器具、自動車部品などに応用されています。
- 室温加硫（RTV）シリコーンは、未硬化状態でも優れた弾力性があるため、建設や電子機器の分野で接着剤やシーラントとして頻繁に使用されるタイプです。
- 高濃度ゴム（HCR）、または固体シリコーンは、成形や 工業用押出アプリケーション ローラーとガスケット。
- フルオロシリコーンは、主に航空宇宙産業や自動車産業における、燃料、油、溶剤に対する耐性が極めて高い用途に適した別のシリコーンの一種です。
シリコンは種類ごとに特定の物理的および化学的特性を備えており、さまざまな用途で優れた性能を発揮します。
液状シリコーンゴム（LSR）について
液状シリコーンゴム (LSR) は、強度、柔軟性、高熱、低温、さまざまな条件に耐える能力で知られるユニークな素材です。これはプラチナ硬化されたエラストマーで、非常に精密な部品を作成するためにプラスチック射出成形で主に使用されています。優れた耐薬品性、生体適合性、熱安定性のため、LSR は医療機器、自動車部品、消費財で広く使用されています。軽量構造、無毒性、極限条件でも安定した効率性を発揮するため、さまざまな業界で使用されています。
固体シリコーンゴムの品種の探究
SSR は固体シリコーンゴムとも呼ばれ、その堅牢性、柔軟性、環境耐久性により、他のシリコーン ファミリーの中でも優れた素材です。LSR と SSR の主な違いは、SSR は圧縮成形またはトランスファー成形による処理を必要とする HCR と呼ばれる形式でのみ販売されていることです。
固体シリコーンゴムの主な特性
SSR は、引き裂き強度や伸びなどの機械的能力に優れています。動作温度は -60°C から 230°C までの範囲で、過酷な環境での使用に適しています。SSR は優れた絶縁特性を備えているため、電子部品の製造に優れた代替品となります。これらの材料は、紫外線、オゾン、老化、化学薬品にも耐性があり、長寿命で信頼性の高いパフォーマンスを実現します。
主なユースケース
SSR では、幅広い使用例が利用可能になりました。その一部を以下に示します。
- 自動車: 高温の水や過酷な流体条件に耐える必要があるガスケット、O リング、およびその他のすべてのシーリング部品。
- 電子機器: 敏感なデバイスで使用される絶縁体、キーパッド、その他の重要なシーリング コンポーネント。
- 医療機器: 医療グレードの生体適合性材料に不可欠なチューブ、ストッパー、その他のシール。
- 産業用途: 耐久性、減衰コンポーネント、強力なシール機能を備えた膜。
固体シリコンゴムの性能指標は、通常、極限条件下では熱可塑性エラストマーや他のエラストマーよりも高い傾向があります。たとえば、固体シリコンゴムの引張強度は配合に応じて 5 ～ 12 MPa で、破断時の伸びは最大 700% です。さらに、この材料はショア A 硬度が 20 ～ 80 であるため、必要な用途要件に応じて幅広いオプションが提供されます。
優れた機械的安定性、熱的安定性、化学的安定性を兼ね備えた固体シリコーンゴムは、さまざまな業界で技術の向上や信頼性の高いソリューションの提供に今もなお貢献しています。
シリコーン樹脂とそのユニークな特性
シリコーン樹脂は、特に広範囲に架橋されたオルガノシロキサンポリマーであり、さまざまなシナリオでの使用に有利な優れた特性を備えています。これらの樹脂は、-50 度から 250 度を超える極端な温度にさらされたカプセル化された環境で非常に優れた性能を発揮するだけでなく、熱安定性も大幅に向上しています。電気または電子アプリケーションでは、これらのポリマーは、明らかな高い電気絶縁特性により、ポリマーの組成に応じて最大 500 ボルト/ミルの誘電強度を実現します。
シリコン樹脂は、物理的安定性だけでなく、化学構造の配置により、オゾン劣化、放射線、湿気、さらには酸化など、さまざまな天候に対する耐久性も備えています。優れたコーティング剤であるシリコン樹脂は、さまざまな表面をコーティングに接着するために使用されています。シリコン樹脂は、低表面張力の化合物であるため、幅広い用途に使用できます。そのため、シリコン樹脂は、非粘着性コーティングに広く使用されています。
シリコン樹脂は表面張力が低いため、幅広い用途のコーティングにも広く使用されています。シリコン樹脂は、堅牢で剛性の高い構造と高密度の架橋により、優れた機械的特性と柔軟性を発揮します。また、非常に高い固有硬度を示します。工業用途では、これらのシリコン樹脂をさまざまな材料と改質または混合することもできます。これにより、さまざまな程度の油や溶剤にさらされたときの化学的安定性とともに、熱に対する耐性が向上します。
合成分野における技術の進歩により、シリコーン樹脂は現在、航空宇宙、自動車、再生可能エネルギーなどの先進産業で使用されています。たとえば、強力な保護コーティングを作成できるシリコーン樹脂の能力は、太陽光パネルや屋外で使用されるその他の機器の安全性にとって重要であり、厳しい天候で使用しても製品の寿命を延ばすことができます。このような多機能性は、現代の材料科学のさらなる発展にとってシリコーン樹脂が非常に重要であることを示しています。
シリコンはどのように作られ、その主要成分は何ですか?
シロキサン骨格：シリコーンの基礎
シリコーンの特徴はシロキサン骨格で、酸素とケイ素原子が繰り返し (Si-O-Si) 結合しています。このユニークな結合により、シリコーンは耐薬品性に加え、高温や熱衝撃にさらされても柔軟性と安定性を備えています。メチル基やフェニル基などの有機基をケイ素原子に結合させることで、材料の特性がさらに向上し、これらの特徴により、このような材料をカスタマイズして無数の用途に使用することができます。その結果、シロキサン骨格ポリマーは、シリコーンの耐用年数特性と、さまざまな産業および商業用途に耐える能力を決定する上で重要な役割を果たします。
原材料から最終製品まで：シリコーン製造プロセス
シリコン製造の第一段階は、シリコンの抽出と精製です。シリコンは通常、シリカまたは砂から得られます。最初のステップでは、非常に高温で動作する電気発電機を使用し、二酸化ケイ素にコークスまたは石炭を加えます。この電気発電機は、シリコンと炭素の反応を可能にし、1700～2000℃で動作しながら精製シリコンを生成し、シリコン収率を98～99パーセントに達成します。
プロセスの第 2 段階は、ミュラー・ローチ プロセスとして知られています。このステップでは、パルメタル グレードのシリコンが化学反応を起こし、銅と接触して塩化メチルと結合します。このプロセスにより、シリコンを組み込んだ製品用のクロロシランが生成されます。シリコン製品に使用される最終形態はジメチルジクロロシランです。クロロシランは最初に蒸留され、一定の純度に達した後、水に入れられ、最終的にシロキサン ベースのポリマー製品になります。
これらのポリマーは、さまざまな目的に使用できるように変更されます。鎖の長さ、密度、さらには特定の官能基まで操作して、消費者にとって理想的な製品が作られます。処理と温度範囲によって、粘度、弾性、熱安定性が決まります。たとえば、シリコン エラストマーは極端な温度にも耐えられるため、医療業界や航空宇宙業界で非常に役立ち、温度範囲は -100 ～ 300 度です。
シリコン生産のプロセスは、資源と品質に細心の注意を払いながら、管理され組織化された方法で行われます。製造方法の中には、エネルギー消費量の増加と廃棄物の増加を招くものもありますが、業界および環境基準に準拠している方法もあります。たとえば、一部の科学者は、電子廃棄物から回収されたシリコンをシリコン生産に追加する傾向が高まっていると指摘しています。これは、資源抽出の必要性を減らし、排出量を削減するためです。適切な技術と管理プロセスにより、シリコンは持続可能なアプローチを確保しながら、業界のさまざまなニーズに対応できます。
添加剤によるシリコーン特性のカスタマイズ
有機シリコーン添加剤と充填剤を添加すると、シリコーンの機能性をさまざまな方法で強化できるため、さまざまな業界で使用できるようになります。充填剤はシリカの機械的強度を高め、可塑剤はシリコーンの柔軟性と伸長特性を高めるのに役立ちます。Brennecke らの研究によると、シリコーン エラストマーにフュームド シリカを約 10 ～ 30 重量% 配合すると、シリコーン エラストマーの引張強度が約 50% 向上する可能性があります。
さらに、シリコーンエラストマーの柔軟性を高めるために使用される同じ無機化合物は、耐熱性および耐炎性を高める添加剤としても使用できます。分析データによると、50重量%の水酸化アルミニウムを含む化合物は、水酸化アルミニウムを含む化合物の可燃性を大幅に抑制するため、電気部品や自動車部品での使用に適しています。環境に優しい顔料とUV安定剤は、長期間過酷な環境条件にさらされても、材料の特性と色を維持します。
Philip Mathe 氏の研究の最適化には、添加する充填剤と可塑剤の慎重な選択と配合が含まれます。高度な材料科学と特定の配合方法を使用することで、メーカーは医療機器の耐久性のためのサイズの拡大や宇宙旅行のための耐熱性の向上など、シリコーン材料の特定の仕様要件を満たすシリコーン材料を製造できます。
さまざまな業界におけるシリコンの最も一般的な用途は何ですか?
建築におけるシリコン：シーラント、接着剤、断熱材
柔軟性、耐久性、熱安定性を維持する能力があるため、シリコーンは建設業界で重要な役割を果たしています。そのため、シリコーンシーラントは、熱膨張や建物の沈下による動きを許容しながら、構造ジョイントの防水と気密性を確保するために頼りにされています。データによると、世界のシリコーンシーラント市場は2.95年に約2022億XNUMX万ドルの価値があり、インフラ開発の需要増加により拡大する可能性があります。
シリコン接着剤は、ガラス、金属、プラスチックなどのさまざまな表面を接着するのに不可欠です。過酷な温度や紫外線に耐える能力があるため、構造物の耐久性が確保され、メンテナンスの必要性が減ります。しかし、研究開発は、VOC の排出がほとんどまたはまったくない、より環境に優しい代替品へと移行しつつあります。
エネルギー効率の高い構造物を建設するために、シリコン断熱材は優れた断熱性と電気絶縁性、耐火性と電気ケーブル絶縁性を備えているため、大いに役立ちます。研究によると、建設にシリコンポリマー断熱材を使用すると、エネルギー使用量を最大 20 パーセント削減できるため、建設に最適です。これらすべての要素により、シリコン断熱材は従来の建設資材をまとめることができ、世界的に受け入れられるようになりました。
医療用途: インプラントからチューブまで
他の材料と比較して、シリコンは生体適合性と適度な柔軟性を備えているため、インプラントに最適な材料です。以下はシリコンの医療用途の包括的なリストです。
インプラント
高温に耐えられるシリコンは、乳房インプラント、ペースメーカーのリード、人工関節など、体内に挿入する必要があるさまざまな用途に使用されています。患者の体への悪影響はわずかで、自然な動きと柔軟性により快適さを提供することが判明しています。長期的な医療処置の場合、シリコンインプラントの成功率は 90% 以上であることがわかっています。
チューブとカテーテル
シリコンベースの医療用チューブは、熱バランスと化学中和性に優れているため、静脈内薬物送達システム、透析装置、その他数多くの医療必需品に使用できます。チューブは、緊急治療時に細菌の発生を抑制し、安全なセットアップを実現します。
創傷被覆材。
他の包帯材と比較して、シリコンは炎症を起こしにくいことが分かっており、治癒の改善や感染予防の可能性が高まります。動きやすさも向上します。シリコン包帯は回復速度を 30 パーセント加速するというデータもあります。
義肢にはシリコン製の軟組織が使用されており、ユーザーの体にぴったりフィットします。これは、運動器具の耐久性を長く保つための優れた機能強化です。
補聴器の型を作る際、シリコンは柔軟性があり、補聴器を所定の位置に保ちながら人の皮膚を刺激しないため、ユーザーエクスペリエンスが向上します。
シリコン ガスケットと医療用シリコンは、酸素人工呼吸器や輸液ポンプなどの重要な装置に不可欠です。熱や腐食性混合物に対する耐性が非常に高いため、呼吸器として信頼できます。
これらすべてのアプリケーションにより、デバイスの有効性は間違いなく向上しており、将来的には大幅に増加すると予想されます。
自動車産業: ガスケット、シール、電気絶縁
シリコン ガスケットとシールは、自動車業界やエンジニアリング業界で使用されている高効率のシリコン材料です。高圧状態では、このようなシールは気密性と防水性のバリアを維持し、同時にオイルや冷却剤の漏れを防ぎます。さらに、配線やデバイスの絶縁用途によりシリコンの用途はさらに広がり、急速に発展する車両システムに優れた絶縁性と信頼性を提供します。特に自動車業界では電動化の傾向が高まっており、シリコンの用途には、高重量のバッテリーやパワー エレクトロニクス接合部の絶縁も含まれるようになりました。シリコンは極端な温度や化学環境に耐えられるため、その有用性と業界基準への準拠が保証され、自動車の設計と製造における重要な材料の 1 つとなっています。
シリコンはプラスチックなどの他の素材と比べてどうですか?
耐熱性: シリコンと従来のプラスチック
温度安定性に関しては、シリコンは、市場に出回っている他のプラスチックと比較すると、従来のプラスチックのほとんど、あるいはすべてに勝っています。-50 °C の極低温から 250 °C の高温まで、シリコン オイルは構造的完全性を失うことはありません。一方、熱は通常のプラスチックにとって弱点です。通常よりも高温になり、軟化または変形する傾向があり、低温では脆くなる傾向があります。これが、シリコン オイルやゴムが厳しい条件に完全に適している唯一の理由です。シリコン オイルやゴムは、温度の激しい変化に耐えることができます。
柔軟性と耐久性：シリコンが優れている理由
シリコンは、主に強度と耐久性という優れた特性を持っています。極端な温度で弾力性を失う一般的なポリマーとは異なり、シリコンは柔軟性を維持することができます。また、ひび割れ、裂け、さらには化学劣化などの物理的負荷から迅速かつ容易に回復できるため、長期間繰り返し使用できます。これらの効果的な特性を組み合わせることで、工業用または消費者ベースの物理的に厳しい環境でも機能することができます。シリコンは、優れた長期耐久性特性を示し、さまざまな用途に使用できます。
環境への影響: 持続可能性におけるシリコーンの利点
シリコンには、さまざまな環境に優しい特性があります。この素材は耐久性が非常に高いため、定期的な交換が不要で、時間の経過とともに廃棄物を最小限に抑えることができます。さらに、シリコンは極度の熱や劣化に耐えるため、素材の寿命が長くなります。シリコンは生分解性ではありませんが、場合によっては専用施設でリサイクルできるため、カーボンフットプリントが軽減されます。さらに、使い捨てプラスチックや脆弱な素材の代わりにシリコンで他の資源を置き換えると、シリコンは廃棄物の削減に役立ち、より良い消費行動を促進します。このため、シリコンは環境に優しく長期的な用途にとって魅力的な選択肢となります。
シリコン製品を使用することによる独自の利点は何ですか?
耐熱性と熱安定性
シリコンは、耐熱性と熱安定性の点で定評があり、さまざまな用途に使用できます。-50°C から 200°C の極端な温度に耐えることができ、一部の特殊機能ではさらに高い温度にも耐えることができます。多くの有機ポリマーとは異なり、シリコンは高温でも劣化したり構造が崩れたりしない素材であるため、自動車、調理器具、一部の工業用ガスケットに最適です。
熱安定性により、動作条件が変化しても優れた性能が実現されます。たとえば、シリコンは低温でも弾力性と柔軟性を維持し、割れたり硬化したりしにくくなります。この程度の熱効率により、シリコンは航空宇宙から電子機器に至るまで、さまざまなエンジニアリング領域で長期的に信頼できます。さらに、シリコンの絶縁材としての有効性は、その低い熱伝導率によって強化されます。これは、シリコンがさまざまな業界でさらに有利な点です。これらの特性によって強化されるのは性能だけではありません。製品の故障も減り、メンテナンス費用と環境廃棄物も減ります。
化学的不活性と生体適合性
シリコンは、化学的に不活性な資源として知られ、ほとんどの化学反応に対して非感受性を持つ特性を持っています。構造的に安定しているため、酸、塩基、溶媒の酸化など、多くの化学反応から保護されます。化学的に保護する特性があるため、シリコンは、シール、ガスケット、インプラントなど、医療分野や工業分野で、強い化学物質を含む環境において広く使用されています。
シリコンの生体適合性は、シリコンが医療分野に浸透する上で重要な側面です。シリコンの完全性を実証する目的で行われた研究の例には、細胞毒性試験、免疫原性試験、生体内評価などがあります。PPI 手術を受けたミシュラン提供のボランティアの場合、最初の 6 か月間の副作用とインプラント感染はそれぞれ 7% と XNUMX% であったことが研究で判明しています。FDA は、整形外科再建、リハビリテーション、歯科手術におけるシリコン インプラントの使用を特に承認しており、これらのインプラントが安全に使用できることを証明しています。
シリコーンは化学的および生物学的相互作用に対する耐性があるため、危害からの安全性が確保されており、航空宇宙産業や海洋産業では欠かせない材料となっています。導電性の低い生体適合性材料が人体に危害を及ぼすのを防ぐために、シリコーンを他のリソースと組み合わせて使用することができます。
電気絶縁性
シリコンは強力な絶縁体であり、多機能要件の下での作業が極めて重要なさまざまな業界で多くの用途があります。シリコンの導電性は低いため、高電圧または低電圧のアプリケーションでも優れた絶縁材料となります。シリコンの破壊電圧は、シリコンの混合物に応じて 20kV ～ 30kV/mm と中程度であり、これはシリコンが破壊を経験することなく非常に強い電界に耐えられることを意味します。
さらに興味深いのは、シリコンは電気絶縁能力を失うことなく、摂氏マイナス 60 度から摂氏 200 度までの温度に耐えることができることです。これにより、シリコンは自動車、航空宇宙、その他多くの産業などの過酷な環境でも機能します。さらに、シリコンは導電性が低いため、湿気、紫外線、その他の環境要因によって、導電性の高い他の絶縁材料ほど早く損傷を受けることはありません。
電気ケーブル、ワイヤー絶縁体、または 絶縁コーティングを必要とする電気部品 環境要因から保護するために、シリコーンは、その特性により適用が非常に簡単で、部品に高い耐久性、耐性、汎用性を与えるため、あらゆる用途に活用できます。今日、シリコーンは、誘電特性、機械的強度、環境持続可能性の組み合わせにより、エンジニアリングと現代技術において極めて重要な役割を果たしています。
シリコーンは電子機器や電気機器の分野でどのように使用されていますか?
保護コーティングおよび封止材
シリコーンは、電子機器の保護コーティングやカプセル化によって、電子機器の長期的な機能性と信頼性を確保する上で非常に重要であることが証明されています。これらの材料は、湿気、ほこり、さらには化学的なバリアとして機能し、腐食や電気的な故障から機器を保護します。非常に柔軟なシリコーンコーティングの熱膨張係数と熱収縮係数により、部品のひび割れが大幅に減少し、温度変動から部品が保護されます。
業界の調査と測定基準によると、シリコン封止材は、-50℃から200℃の温度範囲でも絶縁特性を維持し、動作し続けることができます。さらに、シリコン封止材は、熱に弱い電子回路を熱劣化から保護し、優れた耐熱性を発揮します。それに加えて、シリコンコーティングは、通常20kV/mmを超える優れた誘電強度を示し、高電圧のシナリオでも絶縁を容易にします。
シリコン カプセル化剤は、LED アセンブリ、電源モジュール、プリント回路基板 (PCB) の製造に広く使用されています。シリコン カプセル化剤は、さまざまな複雑な形状に変形したり、隙間を埋めたりできるため、複雑な設計を扱う場合でも完全な保護が保証されます。PCB デバイスにシリコン コーティングを使用すると、多くの利点があります。その 1 つは、結露による短絡の可能性が低くなり、産業システムや民生用電子機器の信頼性が向上することです。
シリコンは紫外線に対して自然に耐性があるため、敏感な部品が常に太陽にさらされることから保護されるため、ソーラーパネルを含む屋外の電子機器や通信機器に使用できます。また、これらの特性の組み合わせにより、シリコンは電子機器の優れた絶縁材となります。
熱管理ソリューション
効果的な熱管理により、新時代の電子機器を加熱から保護し、パフォーマンスとデバイスの寿命を確保できます。現代のアプリケーションは要求が厳しいため、材料と技術に関して新しい最新のソリューションが利用可能になっています。シリコンベースの熱伝導性材料、パッド、グリース、ギャップフィラーは、優れた熱伝導性と優れた柔軟性により、非常によく使用されています。これらの材料は、CPU または電源モジュールからそれぞれのクーラーに熱を伝達するのに役立ちます。
最近行われた調査によると、熱伝導率 10 W/m·K を達成できる熱伝導率材料があり、放熱に大きく貢献することが示されています。その実例としては、シリコン熱パッドが挙げられます。シリコン熱パッドは、動作中に -60 度から 200 度までの極端な温度に耐え、信頼性の高いパフォーマンスを維持できます。このような極端な温度により、シリコン部品は自動車、航空宇宙、高性能コンピューティング業界などの理想的な使用例に適しています。
同時に、次世代トレンドのエレクトロニクス企業も PCM とハイブリッド TIMS を使用しています。ほぼすべてのエレクトロニクスは熱スパイクに耐え、効率が低下する傾向がありますが、相転移中の PCMS 潜熱を使用すると、温度制御が容易になります。さらに、導電性セラミックを組み込んだハイブリッド シリコン材料を適用することで、機械的強度、応力、柔軟性のバランスをより良くすることができます。このような低熱は、過熱と熱応力の影響を軽減し、過酷な条件下での正常なデバイス動作を防止します。これらの要因は、高度な材料の開発とより正確なエンジニアリングとともに、エレクトロニクス製造における熱管理の成長に役立ちます。
フレキシブルでウェアラブルな電子機器におけるシリコン
ウェアラブルおよびフレキシブル エレクトロニクスの技術的進歩により、シリコンは優れた機械的柔軟性、生体適合性、熱安定性などの独自の特性により、不可欠な材料へと進化しました。シリコンは、凹凸のある表面でも成形でき、摩耗することなく繰り返しの急激な変化に耐えることができるため、センサー、導電性、カプセル化材料に最適な材料です。
たとえば、フレキシブル電子回路に使用されているシリコン エラストマーは、いくつかの調査によると、200% 以上伸びても正常に機能するという。これは、快適性と耐久性が優先されるスマート ウェア、フィットネス トラッカー、医療機器などのウェアラブル デバイスにとって特に有益である。シリコンの低い熱伝導性は、熱伝導性フィラーを使用してカスタマイズすることもでき、強力なデバイスに必要な熱分散の問題にも対応できる。
さらに、シリコーンは生体適合性に優れているため、皮膚に接触するデバイスにも使用できます。Future Market Reports では最近、世界のウェアラブル技術部門が 14.6 年から 2021 年にかけて 2028 % の年平均成長率 (CAGR) を達成すると予測しており、耐久性、柔軟性、バイオセンサーやライブ健康モニタリング システムなどの最先端技術との統合を必要とするニーズに応える主な要因はシリコーンであるとしています。この成長は、ウェアラブル エレクトロニクス分野の進歩を促進する上でシリコーンが果たす積極的な役割をさらに証明しています。
3D テクノロジーやマイクロ成形法などの製造技術の向上により、シリコンは、フレキシブルでウェアラブルな用途に使用するために設計された材料の基準を再び引き上げました。これらの進歩により、さまざまなユーザー向けに、よりコンパクトでエネルギーに優しいデバイスやソーシャル ガジェットを構築できるようになりました。
シリコンとシリコーンの違いは何ですか？
化学組成と構造
シリコンは、定義の違いからわかるように、シリコーンとは異なり、原子量が 14 の元素化学物質で、半金属に分類されます。通常、結晶の形で、または地殻に広く存在する二酸化ケイ素やケイ酸塩などの鉱物の一部として存在します。電子機器では、四面体格子のシリコン原子による半導体特性のため、好まれています。
一方、シリコーンは、酸素、水素、ケイ素、炭素の組み合わせから形成されるシロキサン鎖で構成される合成ポリマーとして定義されます。シリコーンの基本的な繰り返し単位には、シロキサン鎖に沿ったケイ素-酸素結合が含まれており、これがシリコーンの柔軟性と耐熱性に貢献しています。有機側基 (通常はメチルまたはその他のアルキル) をケイ素原子に結合させることで、さまざまな機械的および化学的特性を生み出すことができます。その結果、シリコーンは医療機器やウェアラブル電子機器での使用に特化した設計が可能になります。
さらに、シリコンは人間の皮膚との適合性や極端な温度への耐性があるため、ウェアラブル テクノロジーなどの高性能アプリケーションに適しています。この耐性とシリコンの広い動作温度範囲により、シリコンは高い耐久性が求められる環境に適しています。ただし、シリコンの柔らかく柔軟な特性は、固い構造が求められる環境には適さないため、シリコンをシリコンと組み合わせて使用しないでください。
シリコーン化学の現状は、最近分子設計の面で大幅に強化され、粘度が直接改善され、引き裂き抵抗と接着能力が低下しました。シリコーンが工業用および医療用として人気がある理由を考えてみると、その答えの一部は、-75°F から 500°F の温度に耐えられる耐熱性にあります。徐々に、シリコンとシリコーンには大幅に異なる特性と、エンジニアリング用途に左右される特性があることに気づき始めます。
物理的特性と用途
シリコンは、その並外れて強靭な物理的特性により、非常に幅広い用途に不可欠な要素となっています。まず、シリコンの重要な要因の 60 つは、オイルと樹脂の 260 つの形態で利用できることです。これにより、シリコンは極低温や高温でも優れた耐久性を維持できます。たとえば、シリコン ゴムの温度範囲は -XNUMX 度から XNUMX 度までで、自動車のエンジン部品や航空宇宙シールなど、どちらも非常に過酷な条件に使用できます。
それに加え、シリコンは耐候性、耐紫外線性、耐オゾン性にも優れています。また、多くの有機ポリマーに欠けている耐久性と弾力性を維持しながら、日光耐性があるという明確な利点もあります。その結果、その多様な特性により、耐候性膜や、ソーラーパネルシーラントなどのシーリングシステムなどの建設用途で幅広く活用されています。
シリコンは高度に複合化されていますが、反応性がなく、手術中に使用しても安全です。有毒物質が漏れないため、インプラント型医療機器だけでなく、薬物送達システムの補綴物やチューブにも使用できます。用途が広く信頼性が高いだけでなく、表面が防水性であるため、電子機器、海洋用途、建築の防水シールにも使用されています。
シリコンは優れた電気絶縁特性を備えているため、エレクトロニクス業界では非常に重要な部品となっています。シリコンの絶縁強度は、配合に応じて 400 ～ 900 ボルト/ミルの範囲です。この特性により、シリコンはケーブル絶縁材、カプセル化材、相互接続デバイスなど、多くの用途で重要な部品となっています。
最近のシリコーン配合の成長により、低粘度で破断伸びや引張強度などの機械的特性が向上したシリコーンゴム (LSR) などの他の高性能材料も発明されました。これらの新技術により、柔軟で耐久性のあるコンポーネントを必要とするロボット工学や、安全で皮膚に適合する材料を必要とする高度なウェアラブル技術などの高度な分野への応用範囲が大幅に広がります。
これらの特性の組み合わせにより、シリコーンはさまざまな業界で優れた柔軟性と信頼性を備えた材料として登場し、医療、自動車、電子機器、建設の分野で革新をもたらしました。
よくある誤解を解明
シリコンについては、シリコン元素に似ているという誤解が広くあります。ほとんどの場合、この元素は砂の主成分として使用されます。ただし、シリコンはシリコン、酸素、水素の組み合わせを使用して生成される人工ポリマーであるため、シリコンとは関係がないことに留意することが重要です。この区別は重要です。シリコンとシリコン分子は非常に異なります。シリコンは主に医療機器、産業用途、消費財に使用され、シリコンはマイクロエレクトロニクスに使用されます。
シリコンに関する誤解が広まっていることの 1 つに、すべてのシリコン素材は例外なく完全に環境に優しいという考えがあります。このようなプラスチック代替品は、環境に対しても比較的優しいものです。しかし、その素材の性質上、生分解性はありません。環境の劣化を軽減するために、リサイクル可能なシリコン化合物の構築に向けて大きな進歩が遂げられています。
さらに、医療処置中のシリコンの安全性についても懸念があります。インプラント、人工装具のコーティング、その他の用途などの医療補助具に使用されるシリコンは、人体と接触する用途について徹底的に検査され、規制に準拠する必要があります。医療用シリコンは、無毒、低反応性、抗菌性があるため、人体に安全であることが証明されており、組織や皮膚の表面で長期間使用できます。
最後に、シリコンは高温環境では使用できないという迷信があります。配合に応じて、最高性能のシリコンは、-60°C から 200°C を超える温度範囲で動作します。たとえば、耐熱シリコンは、配管や部品が極端な温度にさらされる多くの自動車や航空宇宙の用途で広く使用されています。
この誤解は、科学的に裏付けられたシリコンの特性と相まって、多目的用途、つまり用途が広く、強度があり、安全な素材としてのシリコンの位置づけを明確にするのに役立ちます。
よくある質問（FAQ）
Q: シリコン素材が優れているとされるのはなぜですか?
A: シリコン素材は耐熱性があり、特定のストレスに耐えることができ、柔軟性があります。高温に耐えることができるため、さまざまな用途に使用できます。また、シリコンは化学的に不活性で、濡れにくく、電気伝導性が低いです。このような特性により、シリコンは建設や食品製造など、さまざまな業界で使用されている便利な素材となっています。
Q: 型作りにおけるシリコンの役割は何ですか?
A: シリコンは、細部まで精巧に再現できる特性と柔軟性を備えているため、型作り、鋳造、試作、食品などに最適だと考えられています。シリコン型は、複雑な形状の部品や、大量生産や複数回の使用が予想される部品に特に便利です。複雑な形状の部品には、損傷なく何度も流し込むことができるので、これは素晴らしいことです。
Q: シリコンシーラントは建設以外ではどこで使用できますか?
A: シリコンシーラントは、ジョイントや接合部のシーリングに役立ち、主にさまざまな建設および製造工程で使用されています。また、トイレ、キッチン、窓の周りでの使用にも最適で、水漏れのリスクを軽減します。シリコンシーラントは、自動車部品や電子機器、さらには宇宙技術にも使用できます。シリコンは多くの表面に付着して濡れから保護できるため、非常に優れたシーラーになります。
Q: シリコンが硬化するプロセスは何ですか?
A: シリコーンは、ポリマー鎖が架橋して固体になる加硫プロセスを通じて硬化すると言えます。硬化は、室温加硫 (RTV) と熱硬化の 2 種類に大別できます。RTV シリコーンは、空気中の水分の存在下で硬化することを目的としており、通常は副産物として酢酸を生成します。一方、熱硬化シリコーンは、硬化を開始するために高温を必要とします。熱硬化シリコーンの最終結果はより堅牢です。
Q: シリコンが高温に耐えられるのはなぜですか?
A: もう一度言いますが、シリコンの並外れた耐熱性はポリマーの化学構造に関係していると言えます。ポリマー骨格内には、かなり安定したシリコン-酸素結合があり、その結果、破壊するには大きなエネルギーが必要です。破壊点が非常に高いため、シリコンは、通常 -50 度から 200 度まで、またその組成に応じてさらに高い温度まで、かなり広範囲の高温と低温で特性を維持できます。
Q: シリコン材料の分類と構造は何ですか?
A: 医療グレードのシリコンは、厳格な規制の化学的および物理的要件の両方を満たすシリコン原料の一種として分類されます。また、生体適合性があるため、人体に無害です。シリコン インプラント、シリコン プロテーゼ、シリコン カテーテル、シリコン チューブ、その他のシリコン材料の需要が高いため、シリコン ポリマーはさまざまな医療用途で使用されています。非反応性と容易に滅菌できる特性は、ヘルスケア用途に最適です。
Q: シリコン部品の製造方法は何ですか?
A: シリコン部品はさまざまな方法で製造されますが、最もよく使用されるのは射出成形です。この方法では、液体シリコンゴムを中空の空洞に注入して硬化させることでシリコン部品を製造できます。他の製造方法には、圧縮成形、押し出し成形、3D 印刷などがあります。使用される製造プロセスは、部品の複雑さ、必要な仕様、必要な量に基づいて決定されます。
Q: シリコーンが革新的なグレードの材料としてみなされている具体的なエンジニアリング分野について説明してください。
A: シリコーンは、さまざまな業界の特定のニーズを満たすように設計されており、複数の分野で驚くべき進歩をもたらしています。注目すべきエンジニアリングの進歩には、シリコーンフォーム断熱材、極限環境で使用するシリコーングリース、敏感な機器の振動を減衰させるために使用されるシリコーンオイルなどがあります。さらに、フレキシブルエレクトロニクス、ソフトロボット、最先端の航空宇宙技術にも使用できます。その驚くべき汎用性と複数の特性により、シリコーンは困難なエンジニアリングの問題に対処するための重要な材料です。
参照ソース
ダイナミックメルドラムの酸由来架橋により実現したビトリメリックシリコーンエラストマー（石橋＆カロー、2018、pp. 482-486)
主な発見
- 直接交換可能なエラストマーは、チオールとメルドラム酸の付加脱離反応とそれに続く交差反応によって形成され、圧縮による変更が可能になります。エラストマーは、10 回の再成形サイクルを実行した後も、ヤング率、Tg、ゴム状プラトー E' などのパラメータが不変のレベルを示し続けます。
- 10サイクルを完了した後、応力緩和活性化エネルギーは変化せず、23サイクル目になります。
方法論
- この研究では、メルドラムの酸性シリコーンエラストマーと融合した新しい動的架橋剤を作成することで、架橋ポリマーの状態やシリコーンエラストマーの形状を決定する温度などの要因を考慮しました。
- 彼らは、サイクルにさらされたこれらのシリコーンエラストマーの機械的特性に焦点を当てたデータを収集しました。
2. 白色発光ダイオード用蛍光体/シリコン複合材料の加速された機械的劣化に対する高湿度の影響。ファンら、2019)
主な変数:
- リン光体被覆シリコーン複合材料の高い硬化速度は、高い硬化温度とリン光体/シリコーン複合材料の質量比が高い場合に達成できる可能性がある。
- シリコーンオリゴマーの架橋は、リン光体/シリコーン複合材料の硬化化学を左右します。
- このタイプの複合材は、高湿度条件で 14 日間熟成すると、ヤング率の値が増加します。これは、シリコンの酸化、架橋、およびリン光体粉末の加水分解プロセスの結果です。
アプローチ：
- この研究では、既製のリン-シリコーン複合材料を使用し、示差走査熱量測定法とフーリエ変換赤外分光法を使用してポリマーの硬化中の粘度診断を行いました。
- 引張試験、有限要素モデリング、および森田中法を使用して、高湿度老化試験後のリン/シリコン複合材料の機械的特性を評価しました。
3. 顔面軟部組織増強時のシリコン注入による肉芽腫形成：メカニズムと文献レビュー（王ら。 2018 ページ。 E46 – E51)
主な調査結果：
- 顔の美容目的でシリコンを注入すると、シリコン肉芽腫が発生することがあります。シリコン肉芽腫には、長期間の曝露に伴う危険性がありますが、通常は無視されています。
方法論：
- 著者らは、2007 年 2017 月から XNUMX 年 XNUMX 月の間に発表されたシリコン肉芽腫の症例に関する文献レビューを実施し、シリコン肉芽腫の形成が記録されたさまざまなシナリオを提供しました。
- さらに、研究者らは、肉芽腫形成やその他のシリコン注入合併症の免疫学的根拠を調査しました。
