Isolationsvermögen +1! Aus welchem ​​Material besteht das Silikonkautschuk, das im elektrischen Rotkäppchen verwendet wird?

Vor kurzem hat die State Grid Chaoyang Power Supply Company Silikonkautschuk als Isolierhülle für Freileitungen verwendet, wodurch die Isolierung und Sicherheit der Übertragungsleitungen wirksam verbessert wurde. Das Unternehmen wird von allen liebevoll „Rotkäppchen“ genannt. Tatsächlich ist Silikonkautschuk eine Art Silikonmaterial. Silikonmaterialien werden in vielen Bereichen eingesetzt. Lernen wir sie heute kennen!

Abbildung 1 Die Schutzhülle des Isolators, liebevoll „Rotkäppchen“ genannt, besteht aus Silikonkautschuk (Quelle: Screenshot der Webseite)

01 Was ist Silikonmaterial?

Organische Siliziummaterialien, auch als organische Siliziumverbindungen bekannt, beziehen sich auf Verbindungen , die Silizium-Kohlenstoff-Bindungen (Si-C) und mindestens eine organische Gruppe enthalten, die direkt mit dem Siliziumatom verbunden ist. Als organische Siliziumverbindungen werden üblicherweise auch Verbindungen bezeichnet, in denen organische Gruppen über Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff usw. an Siliziumatome gebunden sind.

Organische Siliziumverbindungen wurden in der Natur bisher nicht gefunden. Chemiker kombinieren das Silizium im Quarzsand mit organischen Makromolekülen und schaffen so ein neues „Hybridmaterial“, das im Volksmund „Organosilizium“ genannt wird. Es gibt viele Arten von Organosiliciumverbindungen, darunter Polysiloxan, Polysilan, Polycarbosilan, Polynitrosilan usw. Organopolysiloxane sind der wichtigste Typ und machen mehr als 90 % der gesamten Verwendung von Organosiliciummaterialien aus. Heute beträgt die Produktionskapazität Chinas für Polysiloxane 67 % der weltweiten Produktion, womit das Land der weltweit größte Produzent, Verbraucher und Nettoexporteur von Silikonrohstoffen ist[1].

Derzeit gibt es mehr als 2.000 Arten von Silikonprodukten. Zu den am häufigsten verwendeten zählen Silikonöl, Silikonkautschuk, Silikonharz usw., von denen mehr als 1.000 Arten betroffen sind. Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Einführung in die drei am häufigsten verwendeten Organopolysiloxanprodukte:

1. Silikonöl: Ein lineares Polysiloxanprodukt, das bei Raumtemperatur flüssig bleibt. Es wird im Allgemeinen in zwei Kategorien unterteilt: Methylsilikonöl und modifiziertes Silikonöl.

♦Die isolierenden Eigenschaften von Silikonöl machen es zu einem wichtigen Material in der Elektroindustrie , das zur Herstellung von Isolieröl, Kabelöl, Transformatoröl usw. verwendet wird.

♦Es kann als Verarbeitungshilfsmittel für Gummi und Kunststoffe verwendet werden, um deren Verarbeitungsleistung und Produktqualität zu verbessern.

♦ Als wichtiger Bestandteil von Kosmetika verfügt es über eine gute Gleitfähigkeit und Hautpenetration.

♦Aufgrund der hervorragenden thermischen Stabilität von Silikonöl wählt das Labor Dimethylsilikonöl als Öl für das Ölbad.

2. Silikonkautschuk: Ein synthetisches Elastomer, das durch Mischen von linearem Polysiloxan mit verstärkenden Füllstoffen und Vulkanisieren unter Hitze- und Druckbedingungen hergestellt wird. Silikonkautschuk selbst ist transparent und durch Oberflächenfärbung und Farbmischung können Silikonkautschukprodukte in verschiedenen Farben erhalten werden.

♦Automobilindustrie: Zündkabel für Autos, Zündkerzenschutzkappen, Heizungs- und Kühlerschläuche, Batterieanschlüsse usw.

♦ Elektronik- und Elektroindustrie: Hochspannungsschutzabdeckungen, Kabelausrüstungen und Isolatoren aus Silikonkautschuk usw. [2]

♦Luftfahrt: Dichtungsschalter und Sauerstoffmasken für Flugzeuge usw. Aus brennfestem Silikonkautschuk können auch Raketentreibstoffventile und Stromkabel usw. hergestellt werden.

♦Medizinischer Bereich: geräuschisolierende Ohrstöpsel, Kontaktlinsen, künstliche Blutgefäße und Organe usw. [3]

Abbildung 2: Chinas erstes vollständig magnetisch aufgehängtes „künstliches Herz“, unabhängig entwickelt (Quelle: Screenshot des CCTV News-Videos)

3. Silikonharz: Ein duroplastischer Kunststoff, der ein stark vernetztes Netzwerk aus Polysiloxanen enthält.

♦Es kann zur Herstellung von Beschichtungen mit Korrosionsschutz, hoher Temperaturbeständigkeit und hydrophoben Eigenschaften verwendet werden, beispielsweise in der Elektronikverpackung, bei Außenwandbeschichtungen und in anderen Bereichen.

♦ Aufgrund seiner isolierenden Eigenschaften kann es in Drähten, Motoren, Transformatoren und anderen Bereichen verwendet werden.

♦Wird bei der Herstellung von Silikonkunststoffen, Halbleiterverpackungskunststoffen und Schaumkunststoffen verwendet. Wird häufig in der Verpackungs-, Rohr- und anderen Bereichen verwendet.

Abbildung 3: Die Außenschicht eines großen Schiffes ist mit einer Korrosionsschutzbeschichtung aus Silikonharz überzogen (Quelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

02 Die Entstehung und Entwicklung von Silikonmaterialien

Bereits im 18. Jahrhundert stellten französische Wissenschaftler erstmals Tetraethylsilan (SiEt4) her, ein Organosiliziummaterial. Später führte Kipping, ein Wissenschaftler an der Universität Nottingham in Großbritannien, eine systematische Studie zu Organosiliziummaterialien durch. Er nutzte nicht nur die Grignard-Reaktion zur Synthese von Organochlorsilanen, sondern legte auch Benennungsregeln für Organosiliciumverbindungen fest und legte damit den Grundstein für die Untersuchung siliciumorganischer Materialien durch zukünftige Wissenschaftler [4].

Während des Zweiten Weltkriegs stellten Wissenschaftler wie Hyde und Patnode ein Silikon-Isolierfett her, das feuchtigkeits- und hitzebeständig ist und in Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeits-Elektrogeräten sowie in Zündsystemen von Flugzeugen verwendet werden kann. Seitdem sind verschiedene frühe Silikonmaterialien auf den Markt gekommen, wie beispielsweise das oben erwähnte Dimethylsilikonöl und die Silikonbeschichtungen.

Im Jahr 1940 erfand der Gelehrte Rochow eine Methode zur Synthese von Hydrocarbylchlorsilanen durch direkte Reaktion von Silizium mit Chlorkohlenwasserstoffen bei hohen Temperaturen , wodurch die Mängel der vorherigen Grignard-Reaktion erheblich behoben wurden . Die direkte Synthese von Hydrocarbylchlorsilanen gilt als eine der epochalen Errungenschaften in der Geschichte der Organosiliciumchemie. Anschließend wurde auf Grundlage dieser Erfindung das erste Wirbelschichtsystem zur Synthese von Methylchlorsilan in der Geschichte entwickelt und damit der Grundstein für die industrielle Produktion von Organosilizium gelegt.

Seitdem sind weltweit Silikonproduktionsanlagen jeder Größenordnung entstanden. Bis zum Beginn des 21. Jahrhunderts wurden mehrere große multinationale Konzerne gegründet und die Zahl der entwickelten Silikonprodukte erreichte Tausende.

Abbildung 4 Wichtige Knotenpunkte in der Entwicklungsgeschichte von Silikonmaterialien in Übersee (Quelle: eigene Autorin)

03 Von hinten kommen und gewinnen! Die Entwicklung von Silikon in meinem Land

In den frühen Tagen der Gründung des neuen China waren Silikonmaterialien noch eine aufstrebende Industrie in der Welt. Zahlreiche Wissenschaftler in unserem Land haben sich aus eigener Kraft und Eigenständigkeit auf den Weg der Forschung und Entwicklung von Silikonmaterialien begeben. Sie begannen zunächst mit der Vorbereitung von Literatur und Materialien. Das Pekinger Chemische Forschungsinstitut des Ministeriums für Schwerindustrie hat eine Silikon-Forschungsgruppe mit dem Ingenieur Yang Dahai als Teamleiter eingerichtet. Sie leisteten umfangreiche Arbeit beim Sammeln und Ordnen ausländischer Literatur, führten Recherchen zu den weltweit modernsten Silikondisziplinen durch und widmeten sich anschließend den ihnen von der Organisation zugewiesenen Aufgaben.

Das Forschungsteam beschloss, zunächst zu versuchen, Ethylchlorsilan mithilfe von Ethylchlorid zu synthetisieren, das einen höheren Siedepunkt hat. Nach harter Arbeit gelang es 1954, Ethylchlorsilan zu synthetisieren und das Experiment zur Erforschung von organischem Silizium war ein Erfolg. Zur gleichen Zeit stellte eines der damaligen Teammitglieder, Genosse Chen Yanhan, die erste chinesische Übersetzung von Organosilicium in meinem Land zusammen und veröffentlichte sie: „Silicon Organic Compounds“ [5]. (Alte Bezeichnung für das chemische Element Silizium)

Abbildung 5: Buchbild zu Silizium-Organischen Verbindungen (Quelle: Screenshot aus dem Internet)

Im Jahr 1955 entwickelte das Shenyang Comprehensive Chemical Research Institute (das vom oben erwähnten Beijing Chemical Research Institute dorthin verlegt und integriert wurde) unter der Leitung des Genossen Yang Donglin das erste Silikonprodukt meines Landes – eine Beschichtung, die hohen Temperaturen von 500 °C standhält. Bald darauf wurde die erste Silikonproduktionswerkstatt in China, Werkstatt 208, gegründet, um bis zu 500 °C beständige Beschichtungen herzustellen und diese in großen Mengen an Flugzeughersteller zu liefern.

Nach der Analyse der Nachfrage nach Silikonmaterialien in den Bereichen Haushaltselektrik, Militär, Luftfahrt und anderen Bereichen wurde die Entwicklung synthetischer Silikonmonomere zur obersten Priorität. Chefingenieur Yang Dahai leitete eine Gruppe fähiger Leute, die Methylchlorsilan als Basismonomer für synthetisches Silikonöl und Silikonkautschuk auswählten, und richtete in Werkstatt 208 eine Abteilung für die Methylchlorsilansynthese ein.

Im Jahr 1958 wurden Flugschmierstoffe und -fette für den Einsatz in Flugzeugen entwickelt (Ausgangsstoff ist hochreines Dimethyldichlorsilan). Im Jahr 1997 überstieg die Inlandsproduktion von Methylchlorsilan 10.000 Tonnen. Seit Beginn des 21. Jahrhunderts steigt die Produktion von Methylchlorsilan stetig an und mittlerweile steht die Silikonproduktion weltweit an erster Stelle[6].

Nach mehreren Generationen harter Arbeit und Mühe haben wir die Situation durchbrochen, in der der chinesische Silikonmarkt von multinationalen Konzernen dominiert wurde und die Barrieren entstanden sind. Wir haben unabhängige Innovationen und Rechte am geistigen Eigentum erreicht und Kerntechnologien gemeistert. Damit haben wir eindeutig bewiesen, dass das chinesische Volk nicht zurückbleiben will und die Fähigkeit und Entschlossenheit besitzt, Chinas Silikonindustrie aufzubauen.

Abbildung 6 Entwicklung von Silikonmaterialien in China (Quelle: eigene Autorin)

04Pionierforschung und zukünftige Anwendungsaussichten neuer Silikonmaterialien

Im Jahr 1987 gründete mein Land die aktuelle chinesische Zeitschrift „Organic Silicone Materials“, die hauptsächlich über neue Technologien, neue Verfahren, neue Produkte und neue Anwendungen von Silikonprodukten im In- und Ausland berichtet und Informationen über den Silikonmaterialmarkt, Konferenzen und Informationen im In- und Ausland in China bereitstellt. Die heutige Silikonindustrie boomt. Vor dem Hintergrund der Kohlenstoffneutralität und des Kohlenstoffspitzenwerts wird die erhebliche Zunahme der Nachfrage nach Fahrzeugen mit alternativer Energie und anderen Produkten das Wachstum der Nachfrage nach Silikon direkt vorantreiben. Die zuständigen Abteilungen haben außerdem entsprechende Richtlinien erlassen, um die Entwicklung von Silikonmaterialien zu fördern und zu unterstützen[7]. Silikonmaterialien haben breite Anwendungsaussichten, insbesondere in den Bereichen elektronische Geräte, Biomedizin, optoelektronische Materialien und 3D-Druck. Durch eingehende Forschung und Erkundung werden Silikonmaterialien in den Bereichen Materialwissenschaft und Werkstofftechnik eine noch wichtigere Rolle spielen.

Quellen:

[1] Hu Juan, Xiao Nan, Tan Yike et al. Fortschritt des inländischen Silikons im Jahr 2022[J]. Organische Siliziummaterialien, 2023, 37(03): 68-89.

[2] Li Xiuzhi. Anwendung von Silikonkautschukmaterialien in der Außenisolierung von Stromversorgungsgeräten[J]. Elektrotechnik und Wirtschaft, 2023(06):159-161+166.

[3] Zhang Chengyan. Anwendung von Silikonkautschuk im biomedizinischen Bereich [J]. Organische Siliziummaterialien, 2002(06):14-17.

[4] Thomas, NR Frederic Stanley Kipping – Pionier der Siliziumchemie: Sein Leben und Vermächtnis. Silizium 2, 187–193 (2010). https://doi.org/10.1007/s12633-010-9051-x

[5] Fu Jilai. Organische Siliziumindustrie und ihre Entwicklung in China[M]. Peking: Chemical Industry Press, 2006.

[6] Xie Man, Gan Yong, Wang Hui. Forschung zur neuen Materialkraftstrategie bis 2035[J]. Chinesisches Journal für Ingenieurwissenschaften, 2020, 22(05): 1-9.

[7] People’s Daily Online. Die Provinz Anhui veröffentlicht den „14. Fünfjahresplan“ zum Aufbau einer Industrie für neue Werkstoffe [EB/OL] (13.04.2022) [09.07.2024]. http://ah.people.com.cn/n2/2022/0413/c358428-35219807.html

Autor: Gao Huang, Doktorand in Materialwissenschaften, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Gutachter: Yao Qiaohong, leitender Ingenieur, PhD, Fakultät für Chemie und Molekulartechnik, Peking-Universität

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