خواص ویژه سیلیکون به عنوان عایق آب و رطوبت
سیلیکون ها جزء آن دسته از پلیمرهایی هستند که هرکجا کاربردی داشته باشند معمولا با اختلاف، کیفیتی بالاتر از خود نسبت به رقبای پلیمری دیگر نشان می دهند و با اختلاف جایگاه اول را ازآن خود می کنند. در واقع نه تنها جایگاه اولی بلکه تا چندین جایگاه بعدی نیز رقیبی نمی تواند در کنار آنها قرار گیرد. از قطعات مختلف سیلیکونی گرفته که می توانند کارایی خود را در دماهای منفی 120 درجه سلسیوس تا مثبت 450 درجه سلسیوس حفظ کنند و تنها سیل های(Seal) قابل اطمینان در هواپیماها و فضا پیماها باشند تا پوشش ها و رنگ های مقاوم به حرارتی که تا دمای بیشتر از 700 درجه سلسیوس را تاب می آورند و به عنوان تنها پوشش قابل اتکا در بخش های مختلف جنگنده های پیشرفته مانند قسمت exhaust آنها مورد استفاده قرار گیرند. این قضیه در خصوص پوشش های سیلیکونی برای بخش ساخت و ساز در صنعت ساختمان نیز صدق می کند. امروزه پوشش های نفوذگر سیلیکونی، بخشی جدایی ناپذیر در محافظت از سازه های معدنی به حساب می آیند و همواره به عنوان محافظ سطح اول در پل های دریایی و نیروگاه های اتمی تا سازه ها و بناهای قدیمی که همگی از بتن یا بتن مسلح ساخته شده اند استفاده می شود. پوشش های نفوذگر سیلیکونی می توانند از تمامی سطوح معدنی از بتن گرفته تا انواع سنگ و آجر به شکل دائمی و قابل اتکا برای دهه ها محافظت کنند.اما چرا و چطور سیلیکون می توان اینگونه قدرتمند از سازه های معدنی محافظت کند؟ جواب این سوال در ذات سیلیکون و انطباق پذیری فوق العاده آن در پوشش دهی سطوح معدنی نهفته است. برای درک این موضوع بگذارید ابتدا با یک فرمول ساده، نحوه عملکرد نفوذ آب در طبیعت را بررسی کنیم!
قانون مویینگی آب (Capillary action)
مویینگی آب با فرمول پایین(درون تصویر) یک قانون جهان شمول فیزیک است که بدون آن زندگی حتی امکان پذیر نیست. از حرکت آب درون آب راه های زیر زمینی و نفوذ آن به درون خاک و املاح معدنی و تغذیه گیاهان گرفته تا حرکت اشک درون چشم به سمت مجاری بینی وحرکت خون درون مویرگ های بدن. همگی وابسته به این قانون اساسی هستند:
بر اساس این قانون در صورتی که مایعی مانند آب با چگالی مشخص و میزان کشش سطحی (surface tension) مشخص در یک استوانه با قطر مشخص ریخته شود، با فرض آب دوست بودن (Hydrophilic) سطح داخلی استوانه می تواند تا ارتفاع مشخصی از آن بالا برود. به عنوان مثال اگر قطر استوانه 2 متر باشد، با دانستن چگلی و سطح انرژی آب و نیروی گرانش (γ = 0.0728 N/m, ρ = 1000 kg/m3, and g = 9.81 m/s2 ) می توان به راحتی محاسبه کرد که که آب می تواند به اندازه ناچیز 0.0074 میلیمتر از استوانه بالا بیاید.
تخلخل ها و مجراهای درون ساختارهای معدنی دقیقا مشابه همان استوانه عمل می کنند با یک تفاوت که قطر آنها به جای اینکه 2 متر عرض داشته باشد تنها به اندازه چند صدم میکرون تا چند میکرون عریض است. حالا اگر دوباره اندازه قطر را فرضا 2 میکرون در نظر بگیریم و در فرمول بالا بگذاریم خواهیم دید که اینبار آب به اندازه بیشتر از 7.4 متر از این تخلخل های کوچک بالا خواهد آمد! این مقدار می تواند با کوچکتر شدن تخلخل ها به مراتب بیشتر نیز شود. این دلیل تمامی رطوبت های فشار منفی و نم های ساختمانیست که ما همگی تجربه کرده ایم. رطوبت هایی که از درون حمام خانه شروع می شوند و در کمال تعجب چندین متر تا چند ده متر آنطرف تر در نقطه ای کاملا دور نسبت به حمام خانه خود را نشان می دهند. یا با وجود اینکه زیر بنای ساختمان ده ها متر از کوچکترین مجراهای آب زیر زمینی فاصله دارد، شاهد مرطوب شدن کف ساختمان هستیم.
راه حل های مرسوم برای جلوگیری از نفوذ آب کشیدن یک لایه پلیمری بر روی سطح معدنی است. این پوشش ها که غالبا از جنس پلیمرهای اکریلاتی، پلی اورتانی یا اپوکسی هستند تنها با ایجاد یک لایه بر روی سطح (لایه قرمز رنگ در تصویر) با بستن راه نفوذ آب به روی سطح عمل می کنند. اما این پوشش ها مشکلات بسیاری ایجاد می کنند.
از آنجایی که این پوشش ها چسبندگی شیمیایی با سطح معدنی ندارند یا چسبندگی آنها ضعیف است ، آب می تواند خود را به سطح زیرین آنها رسانده و با ایجاد فشار منفی باعث باد کردن پلیمر شود یا منجر به تجزیه و ترک خوردگی آن شود و در نهایت باعث تخریب پلیمر شده و مجددا علاوه بر تخریب ظاهر، منجر به ایجاد خسارت بر ظاهر سازه گردد. علاوه بر آن از آنجایی که این پوشش ها آب بند هستند و اجازه خروج رطوبت حتی به شکل بخار را فراهم نمی کنند، می توانند پس از یک دوره بارانی و تجمع رطوبت در داخل تخلخلهای معدنی، باعث تخریب سازه معدنی از درون شوند و شرایط را برای نم زدگی عمیق درون سازه فراهم کنند.
اما اُرگانوسیلوکسان ها یا همان سیلیکون ها به شکلی کاملا طبیعی و استثنائی از نفوذ آب به درون تخلخل ها جلوگیری م یکنند. همانطور که در فرمول قانون مویینگی مشاهده می کنید در صورت کسر، فاکتور COS θ وجود دارد و همانطور که در بالا اشاره شد ، سطوح معدنی کاملا آبدوست (Hydrophilic) هستند و این بدین معناست که زاویه تماسی آنها با سطوح معدنی در حد صفر است . وقتی که عدد 0 در جای θ قرار بگیرد، حاصل آن 1 خواهد بود و در نتیجه آب قدرت بالا رفتن در تخلخل ها را خواهد داشت ولی زمانی که سطوح معدنی توسط سیلیکون پوشش داده می شوند، خواص ذاتی این سطوح از خاصیت آبدوستی به خاصیت آبگریزی(Hydrophobic) تغییر پیدا می کند و این بدین معنی است که مقدار θ بیشتر از 90 درجه خواهد شد و در نتیجه مقدار COS θ برابر صفر می گردد و ارتفاع آب در این فرمول برابر با صفر می شود! در واقع سیلیکون به جای مقاومت در برابر قوانین طبیعی، به آسانی با تغییر ذات ماده و با پیروی از قوانین طبیعت،از سطوح معدنی در برابر نفوذ آب محافظت می کند. این ویژگی تنها در سیلیکون وجود دارد و همانطور که در مقدمه ذکر شد، هیچ پوشش دیگری حتی قابلیت نزدیک شدن به این سطح از عملکرد را ندارد. اما قضیه به اینجا ختم نمی شود ؛ضخامت پوشش های سیلیکونی نفوذگر معمولا در حد چندصد نانومتر است و این بدین معناست که این پوشش ها به هیچ وجه تخلخل های سازه را پر نمی کنند و در نتیجه تنفس پذیری آنها را کاملا حفظ می کنند. بدین شکل سازه نه تنها در برابر نفوذ آب ایمن می شود بلکه علاوه بر آن بخارات آب می توانند به راحتی از درون تخلخل ها عبور کرده و از داخل سازه خارج شوند و متعاقبا از ایجاد نم زدگی عمیق در سازه جلوگیری می کنند. این ویژگی در خصوص بتن های مسلح و سازه های حساس مانند پل ها بسیار حائز اهمیت است و تنها پوشش های نفوذگر سیلیکونی هستند که می توانند چنین خاصیتی را به سازه های معدنی اضافه کند. این خصوصیت منحصر به فرد در کنار امکان نفوذ سیلیکون تا چندین سانتیمتر به داخل بافت معدنی و محافظت عمیق از آن در کنار پایداری شیمیایی و جوی باعث می شود که سیلیکون تبدیل به عایقی کاملا منحصر به فرد، قدرتمند و کاملا بی رقیب برای سازه های معدنی باشد.