Como se fabrican los silicones

descripcion de las propiedades de los silicones y sus procesos de fabricacion
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Los silicones

Debido a la propaganda intensa, durante los últimos años las amas de casa han oído hablar de los solicones (siliconas) como componentes varios tipos de ceras y barnices domésticos. La presencia de cantidades relativamente pequeñas de solicones permite obtener con facilidad superficies brillantes y mas duraderas. Sin embargo, hay un gran número de aplicaciones de este grupo de compuestos artificiales. Se emplean como aislantes para material eléctrico; en anillos de cierre y ajuste, en casos en que las gomas ordinarias se deteriorarían rápidamente; en lubricaciones especiales para máquinas que trabajan a temperaturas extremas (-70ºC a 250ºC); como repelentes de agua, y muchos otros usos. Hace diez años se hizo una lista de 425 distintas aplicaciones de los productos de silicones; desde entonces se han encontrado otras y, además, se obtuvieron nuevas sustancias de este tipo. Sería imposible calcular los beneficios que se deben a Frederic Stanley Kipping (1863-1949), profesor de química en la University College de Nottingham (inglaterra), quien dirigió el equipo de investigadores que preparó y probó los primeros silicones. Sin embargo, la investigación que realizó este equipo era puramente científica; fueron los estadounidenses quienes se dieron cuenta del potencial económico y comercial que significaban los silicones. Kipping sabía que el carbono y el silicio son elementos parecidos en muchos aspectos (el silicio está inmediatamente debajo del carbono, en el grupo cuarto del sistema periódico), y pensó que sería posible hacer compuestos complicados de silicio semejantes a los compuestos orgánicos del carbono. El bióxido de silicio o anhídrido silícico cristalizado (cuarzo) tiene una estructura parecida al diamante. Tanto el carbono como el silicio son tetravalentes. En el diamante, cada átomo de carbono está directamente unido a cuatro átomos de carbono adyacentes, mientras que en el cuarzo cada átomo se silicio esta unido, a través de cuatro átomos de oxígeno, a otros cuatro átomos de silicio. El esqueleto de los compuestos orgánicos está constituido por cadenas de átomos de carbono y, en el caso de los silicones, la estructura característica es -Si-O-Si-. Los silicones no se deben confundir con los silanos, compuestos muy inestables. En éstos, las cadenas están constituidas por átomos de silicio unidos directamente, sin oxígeno.

Propiedad de los silicones

El término silicón abarca todos los polímetros constituidos por cadenas -Si-O-Si-. A los átomos de silicio pueden unirse grupos hidrocarbonados, y la molécula de silicón puede ser una cadena lineal, ramificada i cíclica. Los polímeros de cadena lineal se utilizan en silicones fluidos y gomas, mientras que las estructuras ramificadas se emplean para la obtención de resinas. Aunque las diferencias en la estructura de los silicones producen variaciones en su comportamiento químico y físico, las siguientes propiedades son aplicables a la mayoría. En general, los silicones solo son afectados por temperaturas superiores a 200ºC. Los polímeros que contienen grupos fenilos son los más estables, y les siguen en estabilidad los que tienen grupos metilos unidos a los átomos de silicio. Además, los cambios de temperatura no afectan a las otras propiedades de los silicones en la misma medida que a los correspondientes compuestos orgánicos. Por ejemplo, las viscosidades de los silicones fluidos no cambian con la temperatura tanto como las de los aceites del petróleo. Las gomas de silicón permanecen blandas en un intervalo de temperaturas mucho mayor que e de las gomas orgánicas. De más importancia son las propiedades de los silicones como aislantes. Su gran interés, en este aspecto, proviene de la amplia gama de condiciones en las que se comportan satisfactoriamente. Estas propiedades, unidas al hecho de que repelen el agua, hacen que los productos de silicones sean especialmente adecuados para la fabricación de aislantes eléctricos que han de utilizarse al aire libre. Como repelentes de agua, sus propiedades no son mejores que las de muchos materiales orgánicos; pero lo que los hace recomendables es su duración, cuando se aplican a toda una variedad de superficies. Las prendas de vestir tratadas con silicones tienen una gran ventaja sobre las impermeabilizadas con otros procedimientos. Los silicones no bloquean los poros del tejido, con lo cual el aire y el vapor de agua pueden pasar a través del mismo. Los productos de silicones son elementos muy valiosos en medicina. Su utilización se debe a que pueden esterilizarse sin perder su elasticidad o su fortaleza. Así, pues, se emplean tubos de silicón en los corazones artificiales. Por ser repelentes del agua, se aplican, en forma de aerosoles, pare prevenir la formación de llagas en los enfermos que permanecen mucho tiempo en la cama.

Fabricación de silicones

Todos los silicones se obtienen de "clorosilanos sustituídos" del cloro -por ejemplo, tetracloruro de silicio, SiCl-, es decir, de los compuestos que resultan al sustituir uno o más átomos por grupos metilo (CH3) o fenilo (C6H5). Cuando estos compuestos se han obtenido, se hidrolizan, y las pequeñas moléculas se unen entre s, para formar moléculas masgrandes (polímeros). Según el número de átomos de cloro sustituidos por grupos hirocarbonados se obtienen distintos tipos de polímeros. Para la obtención de clorosilanos sustituidos a escala industrial, se emplean dos métodos ("directo" y "deGrignard"). En los dos procesos se tiene una mezcla de clorosilanos, que se separan por "destilación fraccionada", antes de ser hidrolizados y polimerizados.

Proceso directo

En este método se hace reaccionar silicio finamente pulverizado con cloruro de metilo o monoclorobenceno (si se quiere obtener fenilclorosilanos). La reacción se lleva a cabo a 300ºC y en presencia de polvo de cobre, que actúa como catalizador. Para que haya buen contacto entre el vapor de cloruro de metilo y los reactivos sólidos, el proceso se realiza en un recipiente que gira despacio sobre un eje horizontal. De esta manera, los sólidos pulverizados caen continuamente a través de un espacio lleno con vapor de cloruro de metilo. Los productos de la reacción, junto con cloruro de metilo que no ha reaccionado, pasan a una serie de condensadores y columnas de destilación, en las que se separa el cloruro de metilo para ser usado de nuevo.

Procesos de Grignard

Los materias primas para este proceso son: el tetracloruro de silicio, virutas de magnesio metálico, el haluro de alquilo o arilo apropiado, y éter como disolvente. Es esencial que los productos estén absolutamente secos antes de añadirlos al reactor, porque las presencia de vestigios de agua altera las reacciones. El magnesio, perfectamente limpio, se añade sobre el éter seco en el recipiente de reacción. Si lo que se va a preparar es triclorofenilsilano, se agrega monoclorurobenceno, hasta que se consume el magnesio en la formación de cloruro de fenilmagnesio. Esta suspensión se pasa a otro recipiente parecido, que contiene una disolución de tetracloruro de silicio en éter seco. Aquí, el cloruro de fenilmagnesio reacciona con el tetracloruro de silicio, para dar triclorofenilisilano. El cloruro magnésico se separa filtrando la suspensión, y el filtrado se destila, para separar el triclorofenilsilano del éter.

Hidrólisis y polimerización

Después de separar los productos de los procesos "directo" o "de Grignard" por destilación fraccionada, pueden convertirse en polímeros. El tipo de polímero de la composición de la mezcla inicial de clorosilanos, de las condiciones de la hidrólisis y del grado de "equilibrio". Para hacer una determinada silición, se mezclan cuidadosamente varios clorosilanos en las proporciones adecuadas. Después de agitados completamente, se añaden a otro recipiente que contiene agua. En ésta se obtiene el aceite de silicón y se desprende ácido clorhídrico. La temperatura de la vasija, la cantidad de agua que contiene y el método de eliminar el ácido afectan al producto final. El ácido debe eliminarse por lavado o se puede neutralizar primero y eliminar la sal. Finalmente, el aceite hidrolizado se "equilibra" calentándolo con un catallizador apropiado, hasta que se alcanza el grado de polimerización correcta. El catalizador (ácido, base, cloruro de aluminio o cloruro férrico) se debe separar en este momento. En algunos casos se eliminan compuestos volátiles que no interesan. Para algunas aplicaciones (por ejemplo, resinas), los silicones se polimerizan sólo parcialmente en la etapa de fabricación. El usuario es el que completa la polimerización, calentado o por medio de catalizadores.