Technologia

Wszechobecne silikony

Numer 12/2019
Przezroczysty aparat ortodontyczny z medycznego silikonu. Przezroczysty aparat ortodontyczny z medycznego silikonu. Alla Greeg / Shutterstock
Krzem tworzy rozmaite połączenia łańcuchowe, które są bazą do otrzymywania ciekawych polimerów. Nazywamy je silikonami.
Wytrzymałe silikonowe implanty piersi.Akimov Igor/Shutterstock Wytrzymałe silikonowe implanty piersi.

Za ojca silikonów uważany jest powszechnie brytyjski chemik Frederic Kipping. To właśnie on na przełomie XIX i XX w. rozpoczął prace nad syntezą związków zawierających połączenia dwóch pierwiastków – krzemu i węgla. Szybko okazało się, że otrzymywane polimery, choć na początku dość prymitywne, wykazują niezwykłe właściwości fizykochemiczne. Kipping ze swoimi badaniami trafił idealnie. W czasie II wojny światowej armia potrzebowała wielkich ilości gumy. Niestety, podaż kauczuku była ograniczona, ponieważ większość plantacji drzew kauczukowych znajdowała się pod kontrolą Japonii. Dlatego pomysły brytyjskiego chemika stały się przedmiotem zainteresowania wielu firm, co przełożyło się oczywiście na pieniądze na dalsze badania. Wiodącą rolę odegrała tu amerykańska firma Dow Corning, która została stworzona w 1943 r. w celu dostarczania armii amerykańskiej wysokiej jakości olejów, smarów oraz gumy silikonowej. Do dziś jest ona światowym liderem produkcji wszelkiego rodzaju polimerów krzemoorganicznych. Jej dział badawczo-rozwojowy przoduje też w tworzeniu nowych produktów opartych na krzemie – w ciągu 20 lat firma uzyskała 1000 patentów, co jest absolutnym rekordem. W 1969 r. z gumy silikonowej wyprodukowanej przez Dow Corning wykonano podeszwy astronautów spacerujących po Księżycu. Ale już wcześniej, w 1946 r., firma wypuściła pierwszy prosty produkt konsumencki – nasycone silikonem ściereczki do czyszczenia okularów, znane pod marką Sight Savers.

Niezwykłe właściwości

Olbrzymia popularność silikonów wynika przede wszystkim z ich niesamowitej odporności – przede wszystkim termicznej. Potrafią one zachować swoje właściwości w bardzo szerokim zakresie temperatur: od –100°C do 300°C. Żaden z typowych polimerów opartych na węglu nie jest w stanie im dorównać. Są doskonałymi izolatorami, a do tego nie nasiąkają wodą. Co ważne, wykazują dużą odporność chemiczną – nie niszczą ich tlen ani nawet ozon. Są też niezwykle odporne na promieniowanie UV, dlatego znajdują szerokie zastosowanie wszędzie tam, gdzie struktury pokrywane silikonem są wystawione na bezpośrednie działanie światła słonecznego, m.in. w budownictwie.

Właściwości silikonów wynikają bezpośrednio z ich budowy. Zwykle mamy do czynienia z łańcuchem, w którym naprzemiennie występują atomy krzemu i tlenu, tworząc strukturę -O-Si-[O-Si]n-O-Si-. Taka struktura odpowiada za odporność chemiczną. Z kolei to, co jest doczepione do szkieletu tych długich cząsteczek, determinuje właściwości silikonu.

W wielu pracowniach na całym świecie trwają bardzo intensywne badania nad uzyskiwaniem polimerów o pożądanych właściwościach. Reakcje ich otrzymywania nie należą do bardzo skomplikowanych, ale istotną kwestią jest dopasowanie warunków ich prowadzenia oraz dobór katalizatorów.

Silikony w medycynie

Trudno przecenić znaczenie silikonów w medycynie. Badania nad ich zastosowaniem sięgają lat 40. XX w., kiedy po raz pierwszy analizowano m.in. wpływ cienkiej warstwy polimerów krzemoorganicznych na krzepnięcie krwi. Okazało się, że po pokryciu powierzchni szkła lub tworzywa sztucznego silikonem proces zdecydowanie zwalniał. Dość szybko zaczęto stosować te polimery w strzykawkach czy pojemnikach, w których przechowuje się krew. Co więcej, zauważono, że pokrycie powierzchni igły tym materiałem powoduje, że iniekcja staje się mniej bolesna.

Obojętność chemiczna i biokompatybilność pozwoliły też na zastosowanie silikonu np. do uszczelnienia przewodu żółciowego. Taką procedurę wykonuje się, gdy przewód zaczyna pękać albo trzeba w nim usunąć złogi. Kiedyś wykorzystywano rurkę z silikonowego elastomeru, która działała jak rurka w rurce. Obecnie stosuje się stenty metalowe pokryte silikonem i umieszczane w odpowiednim miejscu z wykorzystaniem procedury endoskopowej.

Rozmaite rodzaje materiałów silikonowych biorą udział w wytwarzaniu produktów medycznych potrzebnych na co dzień w szpitalach czy przychodniach. Większość wężyków, którymi podłącza się np. wlewy kroplowe, zrobiono z tego polimeru. Bardzo istotna jest też możliwość wykonywania z silikonów cewników układu moczowego, ponieważ wielu ludzi ma uczulenie na lateks, a dawniej aparatura ta była wytwarzana z właśnie z niego. Rozmaite polimery silikonowe znajdują też zastosowanie w urządzeniach do krążenia pozaustrojowego (sztucznym płucosercu).

Bardzo istotną dziedziną medycyny, która korzysta z silikonów, jest ortopedia. Już w 1968 r. rozpoczęto wszczepianie implantów stawów palców wykonanych z medycznego silikonu, a w kolejnym roku we Francji wszczepiono pierwszy implant stawu kolanowego. Znane są nam wszystkim także zastosowania silikonów w medycynie estetycznej. Wykonuje się z nich m.in. popularne implanty piersi, choć ostatnio wokół tego zastosowania narosły pewne kontrowersje.

Silikony wokół nas

Gdyby ktoś nas spytał, do czego stosuje się silikony w domu, większość zapewne wskazałaby masy uszczelniające. To prawda. Obecnie na rynku można dostać całą gamę produktów do spoinowania czy fugowania. Miłośnicy akwarystyki wiedzą, że można je wykorzystać do klejenia szkła akwaryjnego – jest to jeden z nielicznych polimerów doskonale przylegających do szkła i nienasiąkających wodą. Ta ostatnia cecha jest też bardzo istotna w przypadku zastosowań typowo budowlanych – silikony są doskonałymi środkami do impregnacji szerokiej gamy materiałów budowlanych: od cegieł i dachówek aż do kostki brukowej. Stosuje się je także do zabezpieczania elewacji zabytków.

Mamy je też na biurku, jeśli używamy rozmaitych kartek samoprzylepnych typu Post-it. To właśnie niezwykłe właściwości polimerów na bazie krzemu pozwalają na ich wielokrotne przylepianie i odlepianie bez pozostawiania śladów.

Rozmaite silikony znajdziemy też w każdym domowym warsztacie. Smary silikonowe mają sporą przewagę nad tymi uzyskiwanymi z produktów petrochemicznych. Przede wszystkim nie śmierdzą i nie są toksyczne, można je stosować w bardzo szerokim zakresie temperatur: od –35°C do 200°C. Istotną sprawą jest też to, że nie gęstnieją zbytnio w niskich temperaturach.

Zastawka mózgowa

Silikon jest doskonałym materiałem do wykonania sztucznego drenażu (zastawki) w przypadku wodogłowia u niemowląt. Zastosowano go po raz pierwszy w 1956 r. Co ciekawe, na pomysł skonstruowania takiego elementu wpadł nie chirurg czy inżynier biomedyczny, ale John Holter, zdesperowany ojciec dziecka z wodogłowiem (nie mylić z Normanem Holterem, twórcą systemu monitorowania serca). Nie mógł on patrzeć, jak jego syn ma dwa razy dziennie wbijaną igłę w głowę w celu usunięcia płynu i obniżenia ciśnienia śródczaszkowego. Na szczęście był technikiem zajmującym się hydrauliką; dość szybko zrozumiał, o co chodzi, i wymyślił prosty zawór umieszczany w głowie pacjenta. Prototyp stworzony w garażu wykonał z prezerwatyw i gumowej rurki, ale okazało się, że nie da się tego urządzenia sterylizować. I tu właśnie pomocne okazały się polimery silikonowe, które nie kurczą się w wysokich temperaturach. Był to strzał w dziesiątkę. Zastawki projektu Holtera są dziś rutynowo wszczepiane w przypadku konieczności obniżenia ciśnienia śródczaszkowego, a ich konstruktor zyskał przydomek „Inżyniera Mózgu”.

Silly Putty

Wynalazki czasami są dziełem przypadku. Tak powstał też niezwykły materiał, który znany jest na całym świecie pod nazwą Silly Putty (ang. „głupi kit”). Do dziś toczy się dyskusja, kto tak naprawdę go wymyślił. Wiadomo, że w czasie II wojny światowej w wielu pracowniach trwały badania nad otrzymaniem dobrego zamiennika gumy. Według większości historyków technologii pierwszeństwo należy się Jamesowi Wrightowi, pracującemu w firmie General Electric. W 1943 r. zmieszał on płynny olej silikonowy z kwasem borowym (H3BO3) i uzyskał masę o konsystencji plasteliny. Była ona bardziej rozciągliwa niż guma, ale nie spełniała innych niezbędnych wymagań. Wright uformował z otrzymanej masy kulkę i rzucił ją na ziemię. Odbiła się od niej, zupełnie jakby była kulką kauczukową. Dokładne badania wykazały, że materiał ten zachowuje się jak tzw. ciecz nienewtonowska – rzucony, odbija się od twardych powierzchni, ale mocno uderzony – pęka jak ciało stałe. Jeśli włożymy silly putty do lejka, będzie bardzo powoli spływać i kapać. Można go stosować do zbierania brudów z gładkich powierzchni ze względu na doskonałe właściwości adhezyjne. Terapeuci używają silly putty w ćwiczeniach rehabilitacyjnych po urazach dłoni.

Świat poznał Silly Putty, gdy sprzedawca zabawek Peter Hodgson zapakował małe porcje w plastikowe pojemniki o kształcie jajowatym i zaprezentował go na międzynarodowej wystawie zabawek w Nowym Jorku. Dziś rocznie sprzedaje się kilka milionów takich opakowań.

01.12.2019 Numer 12/2019

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną