في عائلة المواد السيليكونية، أصبح بولي سيليوكسان "الملك" بفضل هيكله الفريد وأدائه الممتاز، حيث ينتشر استخدامه في العديد من المجالات من مستحضرات التجميل اليومية إلى تقنيات الطيران والفضاء المتقدمة.

1. التركيب الكيميائي والخصائص الأساسية

الهيكل الأساسي: يأخذ رابطة السيليكون والأكسجين (Si-O-Si) كسلسلة رئيسية، حيث تبلغ طاقة الرابطة 443.7 كيلوجول/مول، وهي أعلى بكثير من رابطة الكربون-الكربون (حوالي 346 كيلوجول/مول)، مما يجعل السلسلة الرئيسية مستقرة للغاية.

الخصائص الأساسية: ثبات واسع النطاق في درجات الحرارة (-60℃ إلى 250℃ للاستخدام طويل الأمد، مقاومة قصيرة الأمد لدرجة حرارة 350℃)؛ يجمع بين الصلابة غير العضوية والمرونة العضوية (ميل تأين رابطة السيليكون والأكسجين 51%)؛ خاصية طرد الماء جيدة (زاوية التلامس تصل إلى 150°)؛ بعض الأنواع تتمتع بنفاذية أكسجين ممتازة (مثل بولي سيليوكسان المستخدم في العدسات اللاصقة بنفاذية 200DK)؛ يمكن تحسين التوصيل الحراري بعد التعديل (يصل إلى 4W/(m・K) بعد تعبئة نيتريد البورون).

2. المجالات الرئيسية للتطبيق وأسبابها

الرعاية الصحية: يستخدم السيليكون المطاطي كمادة زراعة بسبب خمولها الفسيولوجي (مثل زرع الثدي وقسطرة البول)؛ عدسات السيليكون الهلامية اللاصقة تتمتع بنفاذية أكسجين تزيد عن 6 أضعاف الهلام التقليدي، مما يحسن راحة الارتداء.

الإلكترونيات والطاقة الجديدة: طلاء السيليكون العضوي الإضافي مقاوم للقوس الكهربائي بنسبة 50% أعلى من راتنجات الإيبوكسي، ويمكن تحقيق عزل بدون فراغات بواسطة نقع تحت ضغط الفراغ؛ يستخدم جل السيليكون الموصل للحرارة لتبريد حزم البطاريات، ويستخدم في السيارات الجديدة ثلاث مرات أكثر من السيارات التي تعمل بالوقود؛ يمكن تحسين التوصيل الأيوني للإلكتروليت الصلب بعد تعديل سلسلة بولي سيليوكسان الجانبية، مما قد يحل مشكلة تشكل شُعيرات الليثيوم.

الصناعة والتصنيع المتقدم: أجزاء ختم السيليكون المطاطي تتحمل درجات الحرارة والإشعاع الشديدة في المركبات الفضائية؛ طلاء راتنج السيليكون ميثيل فينيل يستخدم في طبقات مقاومة للحرارة لمحركات الطائرات؛ مواد نقع السيليان تطيل عمر الخرسانة لأكثر من 50 سنة؛ الزجاج المعالج بمادة طاردة للماء يمتلك خاصية التنظيف الذاتي.

مستحضرات التجميل والسلع الاستهلاكية: يحتل بولي ديميثيل سيليوكسان (PDMS) أكثر من 90% من سوق منتجات العناية بالشعر والعناية الشخصية العالمية، مما يمنح الشعر ملمسًا ناعمًا؛ توفر كريات السيليكون تأثير تشتت الضوء في مستحضرات التجميل، مما يخلق مظهرًا مطفيًا.

3. أسباب كونها "ملك" السيليكون العضوي

مزايا الأداء: أداء متنوع وشامل، يشمل ثبات درجات الحرارة، وطرد الماء، ويمكن التحكم بدقة في الأداء من خلال إدخال مجموعات جانبية، مما يوسع نطاق التطبيقات.

المكانة السوقية: في عام 2023، بلغ حجم السوق العالمي 21.4 مليار دولار، مع أكثر من 5000 منتج، وتمثل الصين 60% من القدرة الإنتاجية العالمية، بإنتاج 1.27 مليون طن؛ من المتوقع أن يتجاوز حجم السوق 15.4 مليار دولار بحلول عام 2030، بمعدل نمو سنوي مركب 3.7%؛ الصناعة تتميز بـ"واحد متفوق وعدة أقوياء"، حيث تحقق الشركات الصينية تدريجياً بدائل محلية للمنتجات المتقدمة (مثل مجموعة Xingfa التي كسرت احتكار زيت السيليكون الإلكتروني).

4. طرق التركيب وتعديل المواد

طرق التركيب: تشمل بشكل رئيسي تفاعل التكثيف (تكاثف كحول السيليكون / الكلوروسيلان تحت محفز، مع إطلاق جزيئات صغيرة) وتفاعل البلمرة بحلقة مفتوحة (بلمرة أحادية السيليوكسان الحلقية تحت محفز)؛ في السنوات الأخيرة، زاد استخدام الطرق الحيوية التحفيزية وتقنية البلمرة الجذرية الضوئية (الأولى تحقق استخدام ذرات يزيد عن 90% وتقلل من مياه الصرف؛ الثانية تحضير سريع في درجة حرارة الغرفة، مناسبة للطباعة ثلاثية الأبعاد).

تعديل المواد: إدخال مجموعات جانبية (مثل الفينيل لتحسين مقاومة الحرارة ومؤشر الانكسار، والإيثيلين لزيادة النشاط التفاعلي)؛ تعديل التعبئة (مثل نيتريد البورون وأنابيب الكربون النانوية لتحسين التوصيل الحراري والخصائص الميكانيكية).

5. الصداقة البيئية والتنمية المستدامة

التحديات البيئية: السيليوكسان الحلقية الميثيلية (D4، D5) تتمتع بالثبات والتراكم البيولوجي، وتخضع للرقابة من الاتحاد الأوروبي؛ زيت السيليكون يتحلل ببطء طبيعيًا.

الإجراءات المتخذة: الإنتاج الأخضر (مثل تحسين عمليات Dow Corning لتقليل الانبعاثات)؛ الاقتصاد الدائري (بولي سيليوكسان الحيوي قابل للتحلل، ومعدل إعادة تدوير السيليكون المطاطي المهدر يتجاوز 95%)؛ دفع السياسات (الاتحاد الأوروبي يحد من استخدام D4 وD5 في مستحضرات التجميل بحلول 2026، والصين توجه الشركات لاستخدام تقنيات منخفضة المركبات العضوية المتطايرة).

6. تاريخ التطور والاتجاهات المستقبلية

تاريخ التطور: بدأ البحث في المختبرات في أوائل القرن العشرين، ثم الإنتاج الصناعي في الأربعينيات، تلاه تحسين طرق التركيب، رفع الأداء، وتوسيع نطاق التطبيقات.

الاتجاهات المستقبلية: ترقية أداء المواد (مثل السيليكون المطاطي الديناميكي القابل للإصلاح الذاتي، وبولي سيليوكسان المستجيب للضوء)؛ توسيع سيناريوهات التطبيق (الإنتاج الضخم للمواد السالبة القائمة على السيليكون، والمواد النانوية المركبة القابلة للتحلل للاستخدام في الإلكترونيات المرنة).

7. التحديات والقيود

التقنية: تكنولوجيا إنتاج المنتجات المتقدمة محتكرة جزئيًا من الخارج، ويحتاج البديل المحلي إلى وقت.

البيئة: بعض المنتجات ذات تحلل بيولوجي ضعيف، وتأثيرات بيئية محتملة تحتاج إلى حل.

التكلفة: عمليات تصنيع المنتجات ذات الأداء الخاص معقدة ومكلفة، مما يحد من التطبيقات واسعة النطاق.

القوانين : تشدد قوانين حماية البيئة، وتحتاج الشركات إلى استثمار المزيد من الأموال والتقنيات للامتثال للمتطلبات.