כיצד הסיליקון עזר לארה"ב לנצח במלחמת העולם השנייה?

פרופ' פרדריק סטנלי קיפינג נחשב לאחד מאבות המייסדים של כימיית הסיליקון, שאף נתן לחומר זה את שמו בשנת 1904. מספרים כי בשנת 1945 ביקר ד"ר שיילר ל. באס, מנהל הפיתוח בחברת Dow Corning את פרופ' קיפינג ואמר לו: "אתה יודע, אומרים כי אתה ומר צ'רצ'יל ניצחתם את מלחמת העולם השנייה". תגובתו החדה של הפרופסור הייתה "למה להכניס את צ'רצ'יל לסיפור"?

גריז סיליקוני שניצח את מלחמת העולם השנייה

הבסיס לאמירה זו נובע מהתפתחויות שקרו מספר שנים קודם לכן, אז הוקם תאגיד Dow Corning. הוא איחד את החברות Dow ו-Corning ועסק בייצור מוצרים המבוססים על חומרים חדשים הנקראים סיליקונים, שהיוו חומר מבודד טוב. אחד השימושים המסחריים הראשונים של מוצרים אלה היה גריז סיליקון שפותח על ידי שיילר בשנת 1942 כדי להגן על מערכות הצתה של מטוסים מפני פריקות מתח. הדבר איפשר למטוסי צבא ארה"ב לבצע טיסות הובלה ישירות לבריטניה ולצפון אפריקה במקום ההובלה הימית שנפגעה מצוללות גרמניות, ולמעשה תמך, בסופו של דבר, בניצחון בעלות הברית.

התכונות המעולות של חומרים מבוססי סיליקון

לפוליסילוקסאנים וסיליקונים בעלי משקל מולקולרי גבוה יש תכונות ייחודיות: גמישות גבוהה ועמידות בנגיפה גם בטמפרטורות נמוכות של עד מינוס 70 מעלות צלסיוס, יציבות תרמית גבוהה עד 300 מעלות צלסיוס, ותכונות מתח פנים, חיכוך ודליקות נמוכות מאוד, בהשוואה למתכות ולפולימרים אחרים.  

כאשר משתמשים במינונים נמוכים של תוספים מבוססי פוליסילוקסן ניתן לשנות את תכונות פני השטח של פולימרים קשיחים רבים: PE, PE, PET, PA ו-PS, כמו גם גומי תרמופלסטי דוגמת: TPE, TPV, SBS/SEBS, TPU, EVA ו-EPDM. כך ישתפרו משמעותית מקדם החיכוך של פני השטח, עמידות בפני שריטות ושחיקה, ועלייה בהידרופוביות. מבחינת עיבוד, תוספי הפוליסילוקסן מעניקים לחומרים הפולימריים יכולת עיבוד טובה יותר, פחות משקעים בתבנית, עמידות בשריפה ועוד.

ניתן לשלב את התוספים מבוססי פוליסילוקסן הריאקטיביים בצורה כימית במטריצת הפולימר. אז מתקבלות, בנוסף לעמידות בשחיקה ושריטות, גם תכונות החלקה, סיכה חיצונית, שיפור פני השטח ומניעת הופעת סדקי מאמץ עליהם.

שימוש מעניין נוסף עבור תוספי פוליסילוקסן בעלי משקל מולקולרי גבוה הוא בתרכובות נטולות הלוגן. שם הם מתפקדים כמעכבי בעירה ומדכאי פליטת עשן ומשתמשים להעלאת ה-LOI בסינרגיה עם תרכובות FR אחרות דוגמת ATO, אבץ בוראט וננו-חימר.

תכונות אלו, בשילוב עם תחושת מגע רכה (Soft touch) הופכים את משפחת תוספי הסילוקסן לנפוצים ביישומים בהם האסטתיות חשובה כמו חלקים לסביבת הנהג ברכב, סוליות נעליים, ואף מוצרים טכניים. יישומים נוספים כוללים גם כבלים, צינורות ותרכובות PA ו-PP המשוריינות במינרלים וסיבי זכוכית.

העמידות בשריטה עומדת למבחן

אחד היישומים של פוליסילוקסנים הוא בתעשיית הרכב. על מנת להיווכח בעמידות הגבוהה של הפוליסילוקסנים לשריטות, נביא כאן בדיקה שפיתחה חברת פולקסוואגן. שם נבדקה דוגמה של PP שהועמס ב-20% טלק, לעומת תרכובת דומה שהכילה בנוסף לטלק גם 3% תוסף מבוסס פוליסילוקסאן. שתי הדוגמאות נשרטו ולאחר מכן נסרקו על ידי מיקרוסקופ SEM. בוצע ניתוח פני שטח השריטות בעומק בין 2 ל-4 מיקרון. ככל שהשריטה תהיה עמוקה יותר, כך נוכחות הטלק בפני השטח תהיה גדולה יותר.

כפי שניתן לראות בגרף 1, גובה הפיק באורך הגל המאפיין את הטלק (בסביבות 1000 cm^-1), גבוה משמעותית בדוגמה ללא הסיליקון (קו כחול) לעומת הדוגמה המתוספת (קו אדום).

עמידות בשחיקה בסוליות נעליים

עמידות בשחיקה היא יתרון בולט נוסף של הסיליקונים והיא חיונית במוצרים כמו הנעלה, צמיגים ומסועים. יחד עם זאת, הכנסת תוספים מבוססי סיליקון בסוליות נעליים דורשת איזון עדין בין הרצון לשפר את העמידות בשחיקה ובין איבוד האחיזה של הסוליה בקרקע כתוצאה מהחלקה. כמו כן, יש לקחת בחשבון את היעילות הכלכלית של תוספים אלו במוצר שהוא מאוד רגיש תמחירית.

העמידות בשחיקה משתקפת בבדיקה בה נמדד אובדן חומר לאחר מספר מחזורי שחיקה בשתי סוליות גמישות. הראשונה היא תערובת SEBS (סטירנית) עם אחוזים שונים של תוסף סיליקוני מונע שחיקה. השנייה היא סוליה הדומה לנעלי Crocs העשויה מ-EVA מוקצף ומצולב בשני הרכבים: תיסוף פוליסילוקסן לא ריאקטיבי, ותיסוף פוליסילוקסן פונקציונלי ששולב כימית במטריצת הפולימר.

כפי שניתן לראות בטבלה 1, עבור הסוליה הסטירנית, ככל שאחוז התוסף מבוסס הסיליקון עלה, כך השתפרה העמידות בשחיקה. בסוליית ה-EVA ניתן לראות השוואה בין תיסוף לא ריאקטיבי לפונקציונלי, כאשר לאחרון עמידות גבוהה במיוחד לשחיקה. זאת מכיוון ששילוב כימי משפר את האינטראקציה הפנימית בין שרשראות הפולימר והתוסף, ואת צפיפות הקשרים הצולבים, וכתוצאה מכך נוצר חומר חזק ועמיד יותר בפני שחיקה.

עתיד הסיליקונים מובטח

מלחמות עולם, בתקווה, לא נצטרך להילחם בקרוב, אבל ברור כי התוספים מבוססי הסיליקון הם פה כדי להישאר. בתחומים כה רבים בהם הם מקנים ערך מוסף משמעותי למוצר, לא פלא כי הכימאים ממשיכים לשקוד על פיתוחים לתעשיות מאתגרות נוספות.

עופר שורק, סמנכ"ל שיווק בחברת סורפול.