1.3.1. Silicona No todos los polímeros tienen como base cadenas de átomos de carbono. Las siliconas son un buen ejemplo de un tipo distinto de polímeros. Una silicona es un polímero constituido por una serie de átomos de silicio y de oxigeno alternados. FIGURA N°…: Estructura química de polidimetilsiloxano (PDMS)
Fuente: Química para el nuevo milenio, John milenio, John W. Hill (1999) Pearson Educación (R
representa un grupo hidrocarbonado, como metilo, etilo o butilo). La f igura de
la parte superior, muestra grupos metilo unidos a los átomos de silicio. Este polímero se llama polidimetil siloxano. Es la silicona más común. Las siliconas pueden ser lineales, cíclicas o redes con enlaces cruzados. Estos materiales son estables térmicamente y resistentes a casi todos los agentes químicos. Además de ser excelentes materiales para impermeabilizar. Algunas siliconas tienen características de aceites o grasas, otras son similares al caucho, y otras más son resinas sólidas, según la longitud de las cadenas y la proporción de enlaces cruzados presentes. Los “aceites” de silicona se usan
como fluidos hidráulicos y lubricantes, mientras que otras siliconas se usan para fabricar productos como selladores, cera para autos y tala impermeable para sabanas.
FIGURA N° Aceite de silicona, PDMS
Fuente: http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/12/siliconas.html
Quizás las siliconas más notables son las que se usan para fabricar partes corporales sintéticas. Existe muchos tipos de reemplazos hechos de siliconas, desde las articulaciones de los dedos hasta orbitas oculares. Durante muchos años se usaron implantes de gel de silicona en los senos. En la mayor parte de los casos, estos implantes han permanecido perfectamente estables a lo largo de los años. Sin embargo, a causa de un error de manufactura, algunos lotes del gel no estaban suficientemente curados. En consecuencia, estos implantes de gel se desintegraron con el tiempo, se difundieron hacia los tejidos corporales y causaron graves problemas de salud en algunos casos. John (W. Hill, 1999).
El producto primario para la elaboración de siliconas es la sílice (dióxido de silicio), bastante abundante en la arenisca, en la arena de playa y otras rocas similares; la sílice también es el principal ingrediente del vidrio. Las siliconas se elaboran a partir de clorosilanos, tetraetoxisilano y otros compuestos de silicio similares. Dependiendo de las condiciones de su obtención y de posteriores procesos químico. Puede esterilizarse con óxido de etileno, radiación y procesos de autoclave. Constituyen la rama más importante de los derivados organosilícicos; la característica esencial de los polímeros es la de presentar en su molécula, además del enlace silicio-carbono, el enlace silicio-oxígeno, el cual da origen a su nombre: siliconas. Además, se denomina silicona a la familia de compuestos químicos sintetizados por primera vez en 1938.
Las siliconas son polímeros inorgánicos, es decir, no contienen átomos de carbono en su cadena principal. Esta es una cadena alternada de átomos de silicio y de oxígeno. Cada silicona tiene dos grupos unidos a la misma y éstos pueden ser grupos orgánicos. "Polisiloxano" es el nombre apropiado para las siliconas. Pero cuando fueron descubiertas, se creyó que tenían grupos "silicona" en la cadena principal. Cuando se descubrió la estructura real, fue demasiado tarde, y el nombre se pegó. 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. 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. Un método de preparación consiste en la interacción de tetracloruro de silicio con el reactivo de Grignard adecuado para obtener diclorosilanos alquilados o arilados. Luego del hidrolisis que lleva a los correspondientes silanoles sustituidos se emplean procedimientos de deshidratación para obtener la polimerización por condensación. La reacción total, cuando involucra silanodiol disustituido puede presentarse como:
−
4
( )
[( ) ]
Tetracloruro de silicio
Diclorosilano disustituido
Diclorosilano disustituido
Polímero lineal de silicona
Fuente: Alfonso R. Gennaro, Ed. Médica Panamericana, 2003
Características
Resistente a temperaturas extremas ( –60 a 250 °C).
Resistente a la intemperie, el ozono, la radiación y la humedad.
Buena resistencia al fuego.
Excelentes propiedades eléctricas como aislante.
Gran resistencia a la deformación por compresión.
Apto para uso alimenticio y sanitario. Tiene la facultad de extenderse.
Permeabilidad al gas
Vida útil larga
Capacidad de repeler el agua y formar juntas de estanqueidad, aunque las siliconas no son hidrófobas
Clasificación Las siliconas pueden clasificarse en relación a la longitud de sus moléculas, que influye en su uso:
Gaseosas: menores a 10 unidades básicas. Aceites: entre 10 y 100 unidades básicas.
Resinas: entre 100 y 500 unidades básicas.
Gomas: entre 500 y 2000 unidades básicas.
Químicamente podemos distinguir cuatro unidades estructurales diferentes: - Unidades monofuncionales: permiten la interrupción de la cadena. - Unidades difuncionales: forman la columna vertebral de las cadenas macromoleculares y los compuestos cíclicos. - Unidades trifuncionales: producen moléculas ramificadas y forman las bases de resinas. - Unidades tetrafuncionales: dan lugar a estructuras reticuladas, es decir, con forma de red, similares a los silicatos.
FIGURA N° Unidades estructurales de las siliconas
Fuente: Bienvenido al mundo de las siliconas, EMTEC (2009)
Propiedades Por su composición química de silicio y oxígeno, es flexible y suave al tacto, no mancha, no se desgasta, no envejece, es resistente al uso que le den, por lo que no se desgasta, no contamina, y puede adoptar formas y lucirse en colores, tiene una baja conductividad térmica, y una baja reactividad química, no es compatible con el crecimiento microbiológico, no es tóxica, posee resistencia al oxígeno, a la radiación de los rayos ultravioleta y al ozono, es altamente permeable a los gases a su temperatura ambiente de 25 °C. Las siliconas con ligaduras cruzadas pueden tener propiedades similares a geles o sólidos, según el grado de entrecruzamiento y la estructura química, estables a temperaturas altas y bajas, y eficaces como agentes antiespuma. Solubilidad, las siliconas sin modificar en general son insolubles en agua, por lo que a menudo se les denomina “ aceites” de silicona. Sin embargo en el mercado
existe una sal sódica soluble de silicona simple, el metilsiliconato de sodio [3 ( ) ].
Las siliconas son pocos irritantes debido a sus propiedades de superficie, químicas y físicas, así como de masa mecánica. En consecuencia, las gomas de silicona son materiales de catéteres permanentes y de tubos destinados a uso temporario. El polímero de siliconas es permeable a los gases. Sin embargo, las siliconas no son hidrogeles y no absorben grandes cantidades de agua. Estos materiales producen irritación mínima o nula. (Alfonso R. Gennaro, Ed. Médica Panamericana, 2003)
Propiedades mecánicas
Resistencia a la tracción de 70 kg/cm 2 con una elongación promedio de 400%. Mantiene estos valores aun después de largas exposiciones a temperaturas extremas.
Propiedades eléctricas
Es flexible, elástica y aislante, manteniendo sus propiedades a temperaturas extremas donde otros materiales no soportarían.
Biocompatibilidad
Está formulada con la FDA Biocompatiblity Guidelines para productos medicinales. Es inodora, insípida y no desarrolla bacterias, no es corrosivo con otros materiales.
Resistencia química
Tienen un buen comportamiento en contacto con la mayoría de agentes químicos, pero son atacados por las grasas, los disolventes. La silicona resiste algunos químicos, incluyendo algunos ácidos, oxidantes químicos, amoniaco y alcohol isopropílico. La silicona se hincha cuando se expone a solventes no polares como el benceno y el tolueno.
Grados de silicona TABLA N° 4 GRADOS DE SILICONA
Fluidos
Elastómeros
Resinas
Su esqueleto está Se formulan a partir Al ser resinas, son constituido por un de cadenas lineales polímeros de masa encadenamiento
Composición
de reactivas a las que molecular
átomos de silicio y de se agrega un agente relativamente
baja
oxígeno.
una
El
común:
más reticulante y cargas que PDMS minerales.
estructura
(polidimetilsiloxanos). Refrigeración,
tridimensional. Juntas
selladoras, Barnices
dieléctricos, ceras y aislamiento productos de pulido, cables,
Usos
antiespumante empleados
a
poseen
aislantes,
de pinturas industriales
conducción y
agentes
de
y de gases y líquidos encapsulación
e
la calientes, prótesis y impregnación
cosmética, farmacia y aparatos quirúrgicos medicina.
y
compuestos
de
sellado. Fuente: Elaboración propia.
FIGURA N° Estructura de una resina de silicona (idealizada, R: grupos metilo o fenilo)
Fuente: TEGO Journal México Silicone Resins.
Composición química
Los polímeros de silicona se producen por condensación intermolecular de silanoles, los cuales se obtienen por hidrólisis de haluros de silicio. Se pueden obtener diferentes estructuras de siloxanos dependiendo del grupo R, cuya presentación pueden ser en distintas consistencias. Existen dos tipos de siliconas en relación a su composición y en función del fraguado (su forma de polimerización) (Palma & Sánchez, 2007): 1. Polimerización por condensación Se presentan como pasta- pasta o pasta- liquido. Se denominan por condensación porque al polimerizar dejan un producto colateral del alcohol en pequeña cantidad pero que al evaporarse de la superficie de la impresión va a producir una contracción de esta, por lo que tiene que positivarse rápidamente.
FIGURA N° 11 Polímeros ligados en forma cruzada, representado por la siguiente formula parcial donde R es un radical hidrocarburo.
Fuente: Alfonso R. Gennaro, Ed. Médica Panamericana, 2003
2. Polimerización por adición Son de adición porque no liberan un subproducto como tal, solo hay liberación de H2, que no afecta la contracción, solo el vaciado. Se denominan polivinilsiloxanos, fraguan sin dejar partes residuales (Palma & Sánchez, 2007).
TABLA N° 5 Comparación entre los tipos de silicona por composición química
Silicona por condensación
Silicona por adición
Polímero: Polidimetil siloxano con Polímero: Polivinil siloxano. grupo terminal hidroxilo Activador (catalizador): Ácido cloro Activador (catalizador): Octanoato de platínico. Estaño Material de relleno: Sílice coloidal. Material de relleno: Sílice coloidal Composición Agente entrecruzador de cadenas: Agente entrecruzador de cadenas: Silano. química Ácido alquílico Plastificante: Dibutil ftalato. Plastificante: Dibutil ftalato Colorante. Colorante Catalizador: Acido alquilico y octanoato de estaño Bases: sílice coloidal y PDMS
Presentación
Pote: base (silicona pesada)
Pote: base.
y proporción
Tubo: activador
Tubo: catalizador.
Tubo: silicona fluida
Tubo: silicona fluida.
Sin
Son
sabor
ni
olor
desagradables
Ventajas
deformación.
Resistente al desgarro
Tiempo de trabajo (5-7 min) y
más
exactos
disponibles.
Excelente recuperación de la
los
Olor y sabor agradables. Alta
estabilidad
dimensional, hasta 7 días.
polimerización ajustable
Alta
recuperación
a
la
deformación plástica
Relativamente económicas
Estables a la desinfección.
Limpio de trabajar
Disponible en dispositivos de automezcla
Desventajas
Hidrofílicos.
Vaciado después de 1 hora.
Baja estabilidad dimensional
Caros.
Requiere de vaciado casi
Sensibles a contaminante.
inmediato (20-30 min.)
Hidrofóbico
Requiere
de
espatulado
manual
de
hidrógeno
(volátil).
Tiempo de expiración corto
Liberación
Tiempo de trabajo corto 3min
Fuente: Elaboración propia
I.
INGENIERÍA DE PROCESOS c. SILICONA 1.3.
MATERIALES
1.3.1. Arena de sílice La sílice (SiO 2) es común en la piedra arenisca y arena de la playa. Es la materia prima y fundamental del cual se producen siliconas. El SiO 2 abunda en distintas formas como el cuarzo, ágata, jaspe, carnelia, ópalo y pedernal. La arena es en gran parte dióxido de silicio y la mayoría de las rocas corrientes, salvo calizas o dolomitas, contienen silicio: por ejemplo, el feldespato Si 3O8KAl; el asbesto (SiO3)4Mg3Ca; la mica (SiO4)3H2KAl3; etc.
FIGURA N° Fuentes de SiO2
Fuente: Martínez Bogado M. (2011). Materiales y materias primas, Silicio cap. 11. Editorial INET, Argentina.
1.3.2. Silicio El silicio es uno de los elementos químicos cuyo símbolo es "Si" y que se encuentra en la tabla periódica en el grupo 14 o IVA. Forma parte, en la tabla periódica, de la familia del carbono, pero, a diferencia de éste, no se lo encuentra en la naturaleza en estado puro sino, generalmente, combinado con oxígeno en su mayoría formando óxidos de Si y silicatos. El Si debe presentar como requisito una pureza de 99 % (impurezas 100 ppm). Este silicio es adecuado para la industria básica, aleaciones especiales y productos de silicona de diferentes tipos. FIGURA N° Granas de Si, Silicio cristalino
Fuente: Martínez Bogado M. (2011). Materiales y materias primas, Silicio cap. 11. Editorial INET, Argentina.
1.3.3. Dibutil ftalato 1.3.4. Catalizadores
Estaño
Platino
1.3.5. Agente de entrecruzamiento de cadenas
Ácido alquílico
1.3.6. Colorantes 1.4.
MÉTODOS 3.2.1 Proceso de obtención de la sílice- silicio metalúrgico
La arena, los cuarzos o las piedras (por lo general cuarzo) pasan a un gran horno fundidor en donde se funden con carbón, donde se someten a temperaturas que llegan a los 1800°C-3000°C. Esto con la finalidad de que el carbón sea capaz de quitar los 2 átomos de oxígeno que forman parte del dióxido de silicio. Cabe destacar que estos hornos presentan electrodos. De esto se obtiene liquido de silicio de grado metalúrgico. El silicio se produce de acuerdo con la reacción: SiO2 + 2C→ Si (metalúrgico)+ 2 CO Se deja enfriar y luego se rompe en pedazos el silicio enfriado para posteriormente ser molido. Se traslada el silicio a otras plantas o en un mismo recinto para el silicio sea molido de tal forma que queden transformado en partículas de un milímetro, a fin de que esta se pueda encontrar con el clorometano. El silicio bien triturado pasa a un reactor de lecho fluidizado, en donde participará
del proceso Muller-Rochow, en este proceso se mezcla el silicio con el clorometano a una temperatura de 300°C, estos pasan a ser como un líquido en ebullición, formando así una mezcla de silano puro. [] 300°
+ 23
(3 )
FIGURA N° Reactor de lecho fluidizado
Fuente: Ingeniera de Superficies y Materiales Nanoestructurados UCM Nº910627. Facultad de Químicas. Universidad Complutense de Madrid
FIGURA N° ̈ LLER-ROCHOW PROCESO DE M
Luego la mezcla se lleva a destilación en donde se definirá su destino, dependiendo del producto a obtener, los clorosilanos pueden pasar a 3 rutas de síntesis. El rango de presión para la síntesis de silanos es de 1 a 5 bar. La siguiente tabla proporciona una descripción general del rango de silanos que se produce y sus puntos de ebullición:
TABLA N° RANGOS DE SILANOS PRODUCIDOS Nombre
Fórmula
Punto de ebullición
Clorodimetilsilano
(CH 3 ) 2 HSiCl
35 ° C
Diclorometilsilano
(CH 3 ) HSiCl 2
41 ° C
Chlorotrimethylsilane
(CH 3 ) 3 SiCl
57 ° C
Triclorometilsilano
(CH 3 ) SiCl 3
66 ° C
Dichlorodimethylsilane
(CH 3 ) 2 SiCl 2
70 ° C
Triclorotrimetildisilano
(CH 3 ) 3 Si 2 Cl 3 152 - 156 ° C
Tetraclorodimetildisilano (CH 3 ) 2 Si 2 Cl 4 152 - 156 ° C Tetraclorosilano
SiCl 4
56.7 ° C
Silanes superiores
> 156 ° C
Fuente: http://www.chemiedidaktik.uniwuppertal.de/disido_cy/en/info/m_fact/mrochow.htm
Para clorosilanos disfuncionales, estos pasan a ser cadenas largas de pollisiloxano, por hidrólisis y policondensación, obteniendo fluido de silicona de uso
directo
usado
en
el
rubro
textil
y
cuidado
personal.
Los clorosilanos trifuncionales sufren hidrólisis y condensación para poder generar redes de silicona tridimensionales, que luego serán usados en áreas de la construcción. Reacciones: Por hidrolisis (3 ) + 2 → (3 ) () + 2
Por condensación: (3 ) () → [ (3 ) ] +
1.5.
APLICACIONES
Por su versatilidad ha sido usado con éxito en múltiples productos de consumo diario. Se pueden organizar los siguientes grupos:
Utensilios de cocina
La silicona se puede utilizar cuando se requiere un contacto con los alimentos, no es tóxica y es inodora.
Se usa en utensilios para hornear y utensilios de cocina.
Se utiliza como aislante en agarraderas, resistentes al calor
Se emplea en moldes para chocolate, hielo, galletas,
Industria automotriz.- La grasa de silicona se utiliza normalmente como un lubricante para los componentes del freno, los cables de las bujías están aislados por múltiples capas de silicona, los compuestos de silicona se utilizan como recubrimientos y selladores para bolsas de aire.
Revestimientos. - La película de silicona se puede aplicar a sustratos a base de sílice tales como vidrio para formar un revestimiento hidrófobo unido covalentemente.
Articulaciones de acuario.- La utilizan como un sellador, para unir placas de vidrio.
Antiespumante.- Las siliconas se utilizan como compuesto activo en antiespumantes debido a su baja solubilidad en agua y buenas propiedades de extensión.
Lavado en seco.- La silicona en estado líquido puede usarse como disolvente de limpieza en seco, proporcionando una alternativa menos dañina para el medio ambiente.
Electrónico.- Los componentes electrónicos a veces están envueltos en silicona para aumentar la estabilidad contra el choque mecánico y eléctrico, la radiación y la vibración.
Lubricantes.- Las grasas de silicona se utilizan en las cadenas de bicicletas. También hay lubricantes personales de silicona para uso en procedimientos médicos o actividad sexual.
Medicina.- La forma de gel se usa en vendajes y apósitos, implantes de seno, implantes testiculares, implantes pectorales, lentes de contacto, y una variedad de otros usos médicos.
FIGURA N° Impresión de silicona
Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Silicona
Ginecología.- En alternativas ecológicas para la menstruación como las copas menstruales.
Oftalmología.- En lentes intraoculares de silicona se usa, después de la extracción de cataratas.
Cuidado personal.- Forman parte de acondicionadores, geles y champús para el cabello; se utiliza en los biberones, en lubricantes personales y juguetes sexuales.
Fontanería y la construcción de edificios.- En la industria de la construcción hay selladores y masillas de silicona. En plomería, la grasa de silicona se aplica a los grifos y válvulas, evitando que la cal se adhiera al metal.
Juguetes.- Las pelotas de silicona de gran rebote son un juguete común, aunque existen muchas formas y variaciones.
FIGURA N° Juguete de Silly Putty
Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Silicona
