Polidimetilsilossano

Il polidimetilsilossano (PDMS), noto anche come dimeticone è un polimero ibrido in cui è presente una struttura contenente carbonio e silicio della famiglia dei silossani noti anche some siliconi. Nella struttura vi sono unità alternate di silicio-ossigeno con gruppi organici legati a ciascun atomo di silicio, che conferisce loro una bassa tensione superficiale, inerzia fisiologica, elevata stabilità termica.

Il silossano è un tipo di composto organico del silicio composto da strutture –Si–O–Si–O– con catene laterali R legate agli atomi di silicio dove R è un atomo di idrogeno o un radicale organico eventualmente recante gruppi funzionali.

struttura
struttura

I polimeri dei silossani sono indicati come siliconi, e tra essi il polidimetilsilossano che è il polimero più importante nell’industria dei siliconi. Il polidimetilsilossano è utilizzato nel campo della chimica analitica grazie alle sue proprietà fisico-chimiche per le sue applicazioni come fase stazionaria nelle separazioni gascromatografiche.

Proprietà del polidimetilsilossano

Il polidimetilsilossano è un elastomero con eccellenti proprietà ottiche, elettriche e meccaniche, che lo rendono adatto a numerose applicazioni ingegneristiche. Mostra eccellente resistenza alla biodegradazione, biocompatibilità, stabilità chimica, permeabilità ai gas, buone proprietà meccaniche, eccellente trasparenza ottica.

Ha un’elevata resistenza alla corrosione e, sebbene abbia basse proprietà meccaniche, come un basso modulo di elasticità e resistenza, può essere migliorato mescolando altri polimeri e aggiungendo particelle o rinforzi. Ha una delle temperature di transizione vetrosa più basse di qualsiasi altro polimero pari a – 125°C.

È un polimero reticolato che ha un basso modulo di Young, elevate deformazioni e capacità di ripristinare la forma originale al cessare di uno stress. Il polidimetilsilossano puro mostra solitamente un modulo elastico compreso tra 1.32 e 2.97 MPa e una resistenza alla trazione compresa tra 3.51 e 5.13 MPa. È dotato di bassa tossicità ed è in grado di modificare e fondersi con altri materiali, ampliando ulteriormente la sua gamma di applicazioni.

Sintesi

A livello industriale è ottenuto dalla reazione tra il dimetildiclorosilano, composto organosilicio tetraedrico con la formula Si(CH3)2Cl2, e l’acqua secondo la reazione:
n Si(CH3)2Cl2 + (n+1) H2O → HO[Si(CH3)2O]nH + 2n HCl

Il processo di sintesi avviene in più stadi. Il primo stadio consiste nel processo di idrolisi che avviene in ambiente basico in presenza di idrossido di potassio. L’idrolisi è condotta utilizzando il metodo a riflusso agitando la soluzione mediante agitatore magnetico a 200 giri al minuto ad una temperatura di 40° – 45° C per 2 ore utilizzando diclorometano quale solvente da cui si ottiene il monomero.

La soluzione è separata dal solvente mediante evaporatore rotante a 40 °C per 30 minuti. Il campione di monomero risultante dall’idrolisi verrà tenuto temperatura di 15° – 20° C in cui avviene la autopolimerizzazione per formare un gel di polidimetilsilossano che, attraverso un processo di purificazione, dà l’elastomero finale.

Questa metodologia di sintesi presenta, tuttavia, il difetto di uno scarso controllo del peso molecolare che porta a polimeri con scarse proprietà che non possono essere utilizzati nella maggior parte delle applicazioni pratiche.

Pertanto, per migliorare il controllo dei parametri molecolari, l’idrolisi del dimetildiclorosilano quale metodo di sintesi è stato progressivamente sostituito dalla polimerizzazione con apertura di anello di silossani ciclici come l’esametilciclotrisilossano.

Usi

Il lavoro sui siliconi, e sul polidimetilsilossano in particolare, è stato svolto sia dalla Dow Corning che dalla General Electric Company a metà del 20° secolo, e il loro sviluppo continua ancora oggi. Negli ultimi decenni, le applicazioni del PDMS si sono espanse principalmente nelle aree del campionamento di composti organici da matrici di aria, acqua e gas del suolo, nonché nella produzione di dispositivi lab-on-a-chip che utilizzano una combinazione di proprietà meccaniche, ottiche ed elettriche del polidimetilsilossano.

lab-on-a-chip
lab-on-a-chip

I dispositivi lab-on-a-chip integrano funzioni multiple che si possono svolgere in laboratorio in un singolo chip e sono in grado di trattare volumi di fluidi estremamente piccoli ad di sotto dei picolitri. Il polidimetilsilossano  è utilizzato in diversi campi come, ad esempio, in  componenti elettronici, membrane per filtraggio, sensori dispositivi ottici e termici e rivestimenti.

A causa della sua elevata biocompatibilità e biostabilità, il polidimetilsilossano è utilizzato in campo biomedico. Questo uso diffuso ha portato anche alla massificazione della tecnica della soft-litografia, introdotta per facilitare la prototipazione rapida di micro e nanostrutture utilizzando materiali elastomerici.

soft litografia
soft litografia

Inoltre, il PDMS è il materiale più comunemente utilizzato nella produzione di dispositivi microfluidici, che rappresentano una tecnologia importante per lo sviluppo di sistemi come la somministrazione di farmaci, il sequenziamento del DNA e la diagnostica clinica.

Inoltre il polidimetilsilossano costituisce il 65% del Silly Putty usato dai bambini che si dilettano a dare sfogo alla loro fantasia infatti è un materiale che può essere allungato, spezzato, tagliato, gonfiato, forgiato nelle forme più svariate e, se reso di forma sferica e lanciato contro una superficie rigida, rimbalza.

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