Polidimetilsiloxano

Polydimethylsiloxane ()PDMS), también conocido como dimetilpolysiloxane o dime, es un polímero de silicona con una amplia variedad de usos, desde cosméticos hasta lubricación industrial.

Es particularmente conocido por sus inusuales propiedades reológicas (o de flujo). El PDMS es ópticamente transparente y, en general, inerte, no tóxico ni inflamable. Es uno de varios tipos de aceite de silicona (siloxano polimerizado). Sus aplicaciones van desde lentes de contacto y dispositivos médicos hasta elastómeros; también está presente en champús (ya que deja el cabello brillante y resbaladizo), alimentos (agente antiespumante), masillas, lubricantes y baldosas resistentes al calor.

Estructura

La fórmula química del PDMS es CH₃[Si(CH₃)₂O]_nSi(CH₃)₃, donde n es el número de monómeros repetidos [Si(CH₃)₂O] unidades. La síntesis industrial puede comenzar a partir de dimetildiclorosilano y agua mediante la siguiente reacción neta:

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Bifurcación y limitación

Hidrólisis de Si(CH₃)_2Cl2 genera un polímero que termina con grupos silanol (−Si(CH₃)₂OH). Estos centros reactivos suelen estar "tapados" por reacción con cloruro de trimetilsililo:

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Se pueden utilizar precursores de silano con más grupos formadores de ácido y menos grupos metilo, como el metiltriclorosilano, para introducir ramificaciones o enlaces cruzados en la cadena del polímero. En condiciones ideales, cada molécula de dicho compuesto se convierte en un punto de ramificación. Esto se puede utilizar para producir resinas de silicona duras. De manera similar, se pueden usar precursores con tres grupos metilo para limitar el peso molecular, ya que cada una de estas moléculas tiene sólo un sitio reactivo y, por lo tanto, forma el extremo de una cadena de siloxano.

El PDMS bien definido con un bajo índice de polidispersidad y alta homogeneidad se produce mediante polimerización aniónica controlada con apertura de anillo de hexametilciclotrisiloxano. Utilizando esta metodología es posible sintetizar copolímeros de bloques lineales, copolímeros de bloques en forma de estrella con heterobrazos y muchas otras arquitecturas macromoleculares.

El polímero se fabrica en múltiples viscosidades, desde un líquido fino que se puede verter (cuando n es muy bajo) hasta un semisólido gomoso espeso (cuando n es muy bajo). alto). Las moléculas de PDMS tienen estructuras (o cadenas) poliméricas bastante flexibles debido a sus enlaces siloxano, que son análogos a los enlaces éter utilizados para impartir caucho a los poliuretanos. Estas cadenas flexibles se enredan libremente cuando el peso molecular es alto, lo que da como resultado PDMS' nivel inusualmente alto de viscoelasticidad.

Propiedades mecánicas

El PDMS es viscoelástico, lo que significa que en tiempos de flujo prolongados (o altas temperaturas), actúa como un líquido viscoso, similar a la miel. Sin embargo, en tiempos de flujo cortos (o bajas temperaturas), actúa como un sólido elástico, similar al caucho. La viscoelasticidad es una forma de elasticidad no lineal que es común entre los polímeros no cristalinos. La carga y descarga de una curva tensión-deformación para PDMS no coinciden; más bien, la cantidad de tensión variará según el grado de deformación, y la regla general es que una mayor deformación dará como resultado una mayor rigidez. Cuando se elimina la carga, la tensión se recupera lentamente (en lugar de instantáneamente). Esta deformación elástica dependiente del tiempo resulta de las largas cadenas del polímero. Pero el proceso que se describe anteriormente sólo es relevante cuando hay reticulación; cuando no es así, el polímero PDMS no puede volver al estado original incluso cuando se elimina la carga, lo que resulta en una deformación permanente. Sin embargo, rara vez se observa deformación permanente en PDMS, ya que casi siempre se cura con un agente reticulante.

Si se deja algo de PDMS en una superficie durante la noche (tiempo de flujo prolongado), fluirá para cubrir la superficie y moldear cualquier imperfección de la superficie. Sin embargo, si el mismo PDMS se vierte en un molde esférico y se deja curar (tiempo de flujo corto), rebotará como una pelota de goma. Las propiedades mecánicas del PDMS permiten que este polímero se adapte a una amplia variedad de superficies. Dado que estas propiedades se ven afectadas por una variedad de factores, este polímero único es relativamente fácil de ajustar. Esto permite que PDMS se convierta en un buen sustrato que puede integrarse fácilmente en una variedad de sistemas microfluídicos y microelectromecánicos. Específicamente, la determinación de las propiedades mecánicas se puede decidir antes de curar el PDMS; la versión sin curar permite al usuario aprovechar innumerables oportunidades para lograr un elastómero deseable. Generalmente, la versión curada reticulada de PDMS se parece al caucho en forma solidificada. Es ampliamente conocido que se estira, dobla y comprime fácilmente en todas direcciones. Dependiendo de la aplicación y el campo, el usuario puede ajustar las propiedades según lo que se demanda.

En general, el PDMS tiene un módulo elástico bajo que le permite deformarse fácilmente y da como resultado el comportamiento de una goma. Las propiedades viscoelásticas del PDMS se pueden medir con mayor precisión mediante análisis mecánico dinámico. Este método requiere la determinación de las características de flujo del material en un amplio rango de temperaturas, caudales y deformaciones. Debido a la estabilidad química del PDMS, a menudo se utiliza como fluido de calibración para este tipo de experimento.

El módulo de corte del PDMS varía según las condiciones de preparación y, en consecuencia, varía drásticamente en el rango de 100 kPa a 3 MPa. La tangente de pérdida es muy baja (tan δ ≪ 0,001).

Compatibilidad química

PDMS es hidrofóbico. La oxidación por plasma se puede utilizar para alterar la química de la superficie, agregando grupos silanol (SiOH) a la superficie. El plasma de aire atmosférico y el plasma de argón funcionarán para esta aplicación. Este tratamiento hace que la superficie del PDMS sea hidrófila, permitiendo que el agua la humedezca. La superficie oxidada se puede funcionalizar aún más mediante reacción con triclorosilanos. Después de un cierto tiempo, la recuperación de la hidrofobicidad de la superficie es inevitable, independientemente de si el medio circundante es vacío, aire o agua; la superficie oxidada es estable en el aire durante unos 30 minutos. Alternativamente, para aplicaciones donde la hidrofilicidad a largo plazo es un requisito, pueden ser útiles técnicas como el injerto de polímero hidrófilo, la nanoestructuración de superficies y la modificación dinámica de superficies con tensioactivos incorporados.

Las muestras sólidas de PDMS (ya sea con superficie oxidada o no) no permitirán que los disolventes acuosos se infiltren e hinchen el material. Por tanto, las estructuras PDMS se pueden utilizar en combinación con agua y disolventes alcohólicos sin deformar el material. Sin embargo, la mayoría de los disolventes orgánicos se difundirán en el material y provocarán que se hinche. A pesar de esto, algunos disolventes orgánicos provocan una hinchazón suficientemente pequeña como para poder utilizarlos con PDMS, por ejemplo, dentro de los canales de dispositivos de microfluidos PDMS. La relación de hinchamiento está aproximadamente inversamente relacionada con el parámetro de solubilidad del disolvente. La diisopropilamina hincha en mayor medida el PDMS; Los disolventes como cloroformo, éter y THF hinchan el material en gran medida. Los disolventes como la acetona, el 1-propanol y la piridina hinchan ligeramente el material. Los alcoholes y disolventes polares como metanol, glicerol y agua no hinchan apreciablemente el material.

Aplicaciones

Tensioactivos y antiespumantes

Los derivados de PDMS son tensioactivos comunes y son un componente de los antiespumantes. El PDMS, en una forma modificada, se utiliza como herbicida penetrante y es un ingrediente fundamental en recubrimientos repelentes de agua, como Rain-X.

Fluidos hidráulicos y aplicaciones relacionadas

La dimeticona se utiliza en el fluido de silicona activa en diferenciales y acoplamientos viscosos de deslizamiento limitado para automóviles.

Enfriamiento radiativo diurno

PDMS es un material de superficie común utilizado en el enfriamiento radiativo pasivo diurno como emisor de banda ancha con alta reflectividad solar y emisividad de calor. Muchas superficies probadas utilizan PDMS debido a su potencial escalabilidad como polímero de bajo costo. Como superficie de enfriamiento radiativo diurno, el PDMS también se ha probado para mejorar la eficiencia de las células solares.

Litografía blanda

El PDMS se utiliza habitualmente como resina para sellos en el procedimiento de litografía blanda, lo que lo convierte en uno de los materiales más utilizados para la entrega de flujo en chips de microfluidos. El proceso de litografía blanda consiste en crear un sello elástico que permite transferir patrones de sólo unos pocos nanómetros de tamaño sobre superficies de vidrio, silicio o polímero. Con este tipo de técnica es posible producir dispositivos que pueden ser utilizados en las áreas de telecomunicaciones ópticas o investigación biomédica. El sello se produce a partir de las técnicas habituales de fotolitografía o litografía por haz de electrones. La resolución depende de la máscara utilizada y puede llegar a los 6 nm.

La popularidad de PDMS en el área de microfluidos se debe a sus excelentes propiedades mecánicas. Además, en comparación con otros materiales, posee propiedades ópticas superiores, lo que permite un fondo mínimo y una autofluorescencia durante la obtención de imágenes fluorescentes.

En los sistemas microelectromecánicos biomédicos (o biológicos) (bio-MEMS), la litografía blanda se utiliza ampliamente para microfluidos en contextos orgánicos e inorgánicos. Se utilizan obleas de silicio para diseñar canales y luego se vierte PDMS sobre estas obleas y se deja endurecer. Cuando se retira, hasta el más mínimo detalle queda impreso en el PDMS. Con este bloque PDMS en particular, la modificación de la superficie hidrófila se realiza mediante técnicas de grabado con plasma. El tratamiento con plasma rompe los enlaces superficiales de silicio y oxígeno, y generalmente se coloca un portaobjetos de vidrio tratado con plasma en el lado activado del PDMS (el lado tratado con plasma, ahora hidrófilo, con impresiones). Una vez que la activación desaparece y los enlaces comienzan a reformarse, se forman enlaces de silicio y oxígeno entre los átomos de la superficie del vidrio y los átomos de la superficie del PDMS, y el portaobjetos queda sellado permanentemente al PDMS, creando así un canal impermeable. Con estos dispositivos, los investigadores pueden utilizar varias técnicas de química de superficies para diferentes funciones, creando dispositivos de laboratorio en un chip únicos para pruebas rápidas en paralelo. El PDMS se puede reticular en redes y es un sistema comúnmente utilizado para estudiar la elasticidad de las redes de polímeros. El PDMS se puede modelar directamente mediante litografía de carga superficial.

El PDMS se utiliza en la fabricación de materiales adhesivos secos sintéticos de adhesión de gecko, hasta la fecha solo en cantidades de prueba de laboratorio.

Algunos investigadores de electrónica flexible utilizan PDMS debido a su bajo costo, fácil fabricación, flexibilidad y transparencia óptica. Sin embargo, para imágenes de fluorescencia en diferentes longitudes de onda, PDMS muestra menos autofluorescencia y es comparable al vidrio BoroFloat.

Litografía estéreo

En la impresión 3D con litografía estéreo (SLA), se proyecta luz sobre una resina fotocurable para curarla selectivamente. Algunos tipos de impresoras SLA se curan desde el fondo del tanque de resina y, por lo tanto, requieren que el modelo en crecimiento se despegue de la base para que cada capa impresa reciba una película nueva de resina sin curar. Una capa de PDMS en el fondo del tanque ayuda a este proceso absorbiendo oxígeno: la presencia de oxígeno adyacente a la resina evita que se adhiera al PDMS, y el PDMS ópticamente transparente permite que la imagen proyectada pase a la resina sin distorsiones.

Medicina y cosmética

La dimeticona activada, una mezcla de polidimetilsiloxanos y dióxido de silicio (a veces llamada simeticona), se utiliza a menudo en medicamentos de venta libre como agente antiespumante y carminativo. PDMS también funciona como un humectante más ligero y transpirable que los aceites típicos.

Los implantes mamarios de silicona están hechos de una cubierta de elastómero PDMS, a la que se le añade sílice amorfa pirógena, envolviendo gel PDMS o solución salina. Se patentó (posteriormente abandonado) el uso de PDMS en la fabricación de lentes de contacto.

Piel

El PDMS también se utiliza de diversas formas en la industria cosmética y de productos de consumo. Por ejemplo, la dimeticona se usa ampliamente en lociones humectantes para la piel donde figura como ingrediente activo cuyo propósito es la "protección de la piel". Algunas formulaciones cosméticas utilizan dimeticona y polímeros de siloxano relacionados en concentraciones de uso de hasta el 15%. El panel de expertos de Cosmetic Ingredient Review (CIR) concluyó que la dimeticona y los polímeros relacionados son "seguros cuando se usan en formulaciones cosméticas".

Cabello

Los compuestos de PDMS, como la amodimeticona, son acondicionadores eficaces cuando están formulados para consistir en partículas pequeñas y ser solubles en agua o alcohol/actúan como tensioactivos (especialmente para el cabello dañado) y son incluso más acondicionadores para el cabello que la dimeticona común y/o o copolioles de dimeticona.

Lentes de contacto

Un uso propuesto del PDMS es la limpieza de lentes de contacto. Sus propiedades físicas de bajo módulo elástico e hidrofobicidad se han utilizado para limpiar micro y nanocontaminantes de las superficies de lentes de contacto de manera más efectiva que la solución multiuso y el frotamiento de los dedos; Los investigadores involucrados llaman a la técnica PoPPR (polímero sobre polímero para eliminar la contaminación) y señalan que es muy eficaz para eliminar el nanoplástico adherido a las lentes.

Como antiparasitaria

PDMS es eficaz para tratar los piojos en humanos. Se cree que esto no se debe a la asfixia (o al envenenamiento), sino al bloqueo de la excreción de agua, lo que provoca que los insectos mueran por estrés fisiológico, ya sea por una inmovilización prolongada o por la alteración de órganos internos como el intestino.

La dimeticona es el ingrediente activo de una preparación antipulgas que se rocía sobre un gato y que resulta igualmente eficaz que un spray de piriproxifeno/permetrina más tóxico y más utilizado. El parásito queda atrapado e inmovilizado en la sustancia, inhibiendo la aparición de pulgas adultas durante más de tres semanas.

Alimentos

PDMS se añade a muchos aceites de cocción (como agente anti-espiración) para prevenir la salpicadura de aceite durante el proceso de cocción. Como resultado de esto, PDMS se puede encontrar en cantidades trazadas en muchos alimentos rápidos como McDonald's Chicken McNuggets, papas fritas francesas, marrones hachís, batidos y batidos y patatas fritas de Wendy.

Según la normativa europea sobre aditivos alimentarios, figura como E900.

Lubricante para condones

El PDMS se usa ampliamente como lubricante para condones.

Usos domésticos y especializados

Muchas personas están indirectamente familiarizadas con el PDMS porque es un componente importante de Silly Putty, al que el PDMS le confiere sus propiedades viscoelásticas características. Otro juguete en el que se utiliza PDMS es Kinetic Sand. También son bien conocidos los selladores, adhesivos y selladores de acuarios de silicona gomosos y con olor a vinagre. El PDMS también se utiliza como componente en grasas de silicona y otros lubricantes a base de silicona, así como en agentes antiespumantes, agentes desmoldantes, fluidos humectantes, fluidos de transferencia de calor, abrillantadores, cosméticos, acondicionadores para el cabello y otras aplicaciones.

Se puede utilizar como sorbente para el análisis del espacio de cabeza (análisis de gases disueltos) de los alimentos.

Consideraciones medioambientales y de seguridad

Según la Enciclopedia de Química Industrial de Ullmann, no existen "efectos nocivos marcados sobre los organismos del medio ambiente" se han observado para los siloxanos. El PDMS no es biodegradable, pero se absorbe en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales. Su degradación está catalizada por diversas arcillas.