سیلیکون لاستیکی سرپوش‌ها: مقاوم در برابر مواد شیمیایی برای استفاده در آزمایشگاه

علم پشت مقاومت شیمیایی سیلیکون

ساختار مولکولی پشت مقاومت شیمیایی لاستیک سیلیکون

چه چیزی سیلیکون رابر را در برابر مواد شیمیایی مقاوم می‌کند؟ پاسخ در ساختار پشتیبان سیلیکون-اکسیژن (Si-O) آن نهفته است که در مقایسه با پلاستیک‌های معمولی مبتنی بر کربن بسیار پایدارتر است. این ساختار ویژه دفاع محکمی در برابر تجزیه در سطح مولکولی ایجاد می‌کند، حتی زمانی که در معرض مواد شیمیایی خورنده قرار دارد. گروه‌های کوچک متیل یا فنیل که از زنجیر اصلی بیرون زده‌اند، عملکردی شبیه به سپر دارند و تماس بین سطح لاستیک و مواد خورنده را محدود می‌کنند. در مقابل، ساچمه‌های لاستیک طبیعی داستانی متفاوت دارند و تحت شرایط سخت به سرعت از هم می‌پاشند. سیلیکون از این مشکل اجتناب می‌کند، زیرا مولکول‌های آن به راحتی از هم گسیخته نمی‌شوند، مانند لاستیک طبیعی. به همین دلیل است که سیلیکون شکل و استحکام خود را در طول زمان حفظ می‌کند و برای کاربردهایی که مقاومت بلندمدت در برابر مواد شیمیایی مهم است، انتخابی ایده‌آل محسوب می‌شود.

پایداری در pHهای حدی: سازگاری سیلیکون با اسیدها و بازها

دکمه های سیلیکونی در طیف گسترده ای از محلول ها، از اسیدهای فوق العاده قوی در pH 1 مانند اسید گوگرد متمرکز تا مواد بسیار اساسی در pH 14 مانند هیدروکسید سدیم، کار می کنند. چیزی که آنها را از هم متمایز می کند توانایی آنها در نشستن بدون واکنش است، بنابراین آنها باعث تبادل یون ناخواسته نمی شوند وقتی که چیزها اسیدی می شوند، از طریق هیدرولیز در شرایط قلیایی تجزیه می شوند، یا از نوع آسیب سطحی که لاستیک طبیعی در طول زمان تجربه می کند رنج می برند. از آنجا که آنها بدون فروپاشی در شرایط شدید کار می کنند، این پلپرها به ویژه در آزمایشگاه هایی که با بافر های دارویی یا واکنش های شیمیایی که سطح pH در طول آزمایش ها به طور مداوم تغییر می کند، برخورد می کنند، ارزشمند می شوند.

عملکرد در برابر حلال های قطبی و غیر قطبی

سیلیکون در برابر حلال‌های قطبی مانند اتانول (تا غلظت 70 درصد) و ایزوپروپانول مقاومت دارد، اما در کار با عوامل غیرقطبی عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهد. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که پس از 72 ساعت در معرض هگزان، تولوئن و کلروفرم قرار گرفتن، تورم کمتر از 10 درصدی رخ می‌دهد — که نشان‌دهنده پایداری برتر نسبت به سرمه‌های لاستیکی بوتیل است که در معرض مشابه هیدروکربن‌ها دچار تورم 40 تا 60 درصدی می‌شوند.

تأثیر دما، غلظت و زمان در معرض قرار گرفتن بر مقاومت

آزمایش‌های پیر شدن شتاب‌داده نشان می‌دهند که هنگامی که سرمه‌های سیلیکونی به مدت 500 ساعت در دمای 100°C در معرض مواد شیمیایی قرار می‌گیرند، کاهش 15 درصدی در استحکام کششی مشاهده می‌شود — که عملکردی بهتر از لاستیک EPDM به میزان سه برابر است. با این حال، اسید نیتریک غلیظ (≥68%) باعث ترک‌خوردگی تدریجی سطحی فراتر از حد مجاز توصیه‌شده توسط سازنده می‌شود و اهمیت تطابق استفاده با پروفایل‌های در معرض قرار گرفتن را برجسته می‌کند.

محدودیت‌ها: چرا سیلیکون با اکسیدکننده‌های قوی واکنش می‌دهد علیرغم بی‌اثری

با وجود بی‌حرکتی کلی خود، سیلیکون در معرض اکسیدکننده‌های قوی مانند پراکسید هیدروژن (>30%) و اسید سولفوریک دودزا تجزیه می‌شود. این مواد واکنش‌های زنجیره‌ای رادیکالی را آغاز می‌کنند که به ساختار اصلی Si-O حمله می‌کنند. برای چنین محیط‌هایی، انواع فلوروسیلیکون توصیه می‌شوند، زیرا جایگزین‌های فلورین آنها انتقال الکترون را کاهش داده و پایداری اکسیداتیو را افزایش می‌دهند.

ریسک‌های تخریب شیمیایی و موارد شکست در دنیای واقعی

شکست‌های رایج در درپوش‌های غیرسیلیکونی در معرض مواد شیمیایی خورنده

وقتی لاستیک طبیعی، لاتکس و ساچمه‌های بوتیل با اسیدها، حلال‌ها یا عوامل اکسنده تماس پیدا می‌کنند، به مرور زمان تمایل زیادی به تخریب دارند. تحقیقات اخیر از سال گذشته چیزی نگران‌کننده درباره ساچمه‌های لاستیک طبیعی نشان داد. حدود دو سوم از آنها پس از تنها سه روز قرار گرفتن در محلول ۳۰ درصد اسید سولفوریک شروع به ترک خوردگی کردند، چون زنجیرهای پلیمری آنها عملاً از هم گسسته شدند. سپس استون وجود دارد که باعث می‌شود ساچمه‌های لاتکس به‌طور دائمی حدود ۱۲ تا ۱۵ درصد از حجم خود افزایش یابند. و اگر لاستیک بوتیل در معرض هیدروکربن‌های غیرقطبی قرار گیرد؟ خُب، این تاول‌های آزاردهنده در اثر نفوذ مواد شیمیایی از میان ماده ظاهر می‌شوند. همه این مشکلات به این معناست که درزگیرها دیگر به درستی کار نمی‌کنند. آزمایشگاه‌ها از مشکلاتی مانند آلوده شدن نمونه‌ها یا بدتر از آن، فرار بخارات خطرناک هنگامی که این ساچمه‌های تخریب‌شده نتوانند درز مناسبی ایجاد کنند، گزارش داده‌اند.

مطالعه موردی: متورم‌شدن و ترک‌خوردگی ساچمه‌های الاستومری در محیط‌های حلال

بررسی ۱۵۰ سرپوش لاستیکی معیوب از آزمایشگاه‌های دارویی مختلف در سال ۲۰۲۲ چیز جالبی را نشان داد: حدود ۸ از هر ۱۰ مورد به دلیل تماس با حلال‌ها تخریب شده بودند. وقتی این سرپوش‌های لاستیکی فلوروکربنی به مدت شش ماه مداوم در معرض حلال‌های کتونی قرار می‌گرفتند، به دلیل متورم شدن حدود ۹٪ وزن خود را افزایش داده و تقریباً ۴۰٪ استحکام کششی خود را از دست می‌دادند. این ضعف باعث جدا شدن ذراتی از سرپوش در هنگام تکان خوردن یا تحریک شیشه‌های دارو می‌شد که مشکلات جدی برای تولید داروهای تزریقی ایجاد می‌کرد. با این حال، وضعیت با جایگزین‌های لاستیکی سیلیکونی بسیار بهتر به نظر می‌رسد. این مواد تنها کمتر از ۲٪ در شرایط آزمایش مشابه متورم می‌شوند، زیرا ساختار شبکه‌ای خاص سیلوکسان آن‌ها از ورود بیشتر حلال‌ها به داخل جلوگیری می‌کند.

آزمایش و اعتبارسنجی مقاومت شیمیایی در عمل

روش‌های استاندارد برای ارزیابی مقاومت سرپوش آزمایشگاهی

آزمون مقاومت شیمیایی سرپوش‌های لاستیکی توسط استانداردهای صنعتی از جمله ASTM D471 و ISO 1817 تنظیم می‌شود. این آزمون‌ها شامل قرار دادن سرپوش‌ها در مواد شیمیایی خاص، در دماهای مشخص و برای دوره‌های زمانی معینی هستند. هدف اصلی، بررسی این موضوع است که آیا سرپوش‌ها در این شرایط دوام می‌آورند یا خیر. پارامترهای آزمون شامل مدت زمان غوطه‌وری می‌شود که معمولاً از ۲۴ ساعت تا بیش از ۱۰۰۰ ساعت متغیر است، همچنین غلظت‌های مختلفی از صفر درصد تا غلظت کامل در نظر گرفته می‌شود. به عنوان مثال، استاندارد ASTM D471 در واقع میزان تورم مجاز مواد سیلیکونی را هنگام قرار گرفتن در حلال‌های هیدروکربنی محدود می‌کند و حدود ۱۵٪ افزایش حجم را به عنوان قابل قبول تعیین می‌کند. این امر به تولیدکنندگان کمک می‌کند تا عملکرد مورد انتظار در کاربردهای واقعی را تشخیص دهند.

اندازه‌گیری تخریب: تغییر وزن، تغییر سختی و استحکام کششی

معیارهای کمّی به تعیین مناسب‌بودن ماده کمک می‌کنند:

مطالعات نشان می‌دهد دمپرهای سیلیکونی پس از 500 ساعت در معرض اسید سولفوریک 30%، تغییر سختی کمتر از 8% دارند و عملکرد بسیار بهتری نسبت به لاستیک طبیعی دارند که در همان شرایط دچار کاهش 20 تا 35% در سختی می‌شود.

شبیه‌سازی قرارگیری بلندمدت در شرایط اسیدی و قلیایی

آزمایش‌های آزمایشگاهی که فرآیند پیری را تسریع می‌کنند، ساچمه‌ها را در معرض سطوح حدی pH از ۱ تا ۱۴ قرار می‌دهند و همزمان آن‌ها را در دمای بالا بین ۷۰ تا ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد نگه می‌دارند. این شرایط مشابه آنچه پس از حدود پنج سال استفاده عادی در آزمایشگاه رخ می‌دهد، می‌باشد. هنگامی که مواد سیلیکونی به مدت ۱۲ ماه در محلول ۴۰ درصدی سدیم هیدروکسید قرار می‌گیرند، حدود ۹۲ درصد از الاستیسیته اولیه خود را حفظ می‌کنند. اما لاستیک نیتریل عملکرد خوبی ندارد و تحت شرایط مشابه، تقریباً دو سوم انعطاف‌پذیری خود را از دست می‌دهد. مشکل زمانی تشدید می‌شود که این مواد به طور مکرر بین محیط‌های اسیدی و بازی حرکت کنند. این نوع تنش منجر به تشکیل ترک‌های سطحی در مواد با سرعت بیشتری می‌شود. برای افرادی که با شیشه‌های دارویی که باید چرخه‌های استریل‌سازی اتوکلاو را تحمل کنند کار می‌کنند، این اطلاعات در انتخاب ماده درزگیر مناسب بسیار مهم است.

پرش شکاف: تفاوت‌های بین داده‌های آزمایشگاهی و ادعاهای سازنده

تولیدکنندگان معمولاً مقاومت شیمیایی را در دمای 23°C گزارش می‌دهند، اما شرایط واقعی—مانند سیستم‌های جوشش معکوس در دمای 85°C—می‌تواند عملکرد سیلیکون را در برابر کتون‌ها و استرها به میزان 18 تا 30 درصد کاهش دهد. آزمون‌های مستقل از طریق آزمایشگاه‌های دارای مجوز ISO/IEC 17025، 83 درصد از عدم تطابق‌های مشخصات را به ویژه در کاربردهای مرتبط با حلال‌های هالوژنه مانند دی‌کلرومتان برطرف می‌کند.

بهترین روش‌ها برای انتخاب و استفاده از درپوهای لاستیکی سیلیکونی

تطبیق درجه درپو با پروفایل‌های خاص قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی

انتخاب درست ساچمه لاستیکی سیلیکونی به معنای بررسی سازگاری شیمیایی است که فراتر از ملاحظات ساده pH است. هنگام کار با اسیدهای قوی مانند اسید سولفوریک 95% یا بازهای غلیظ مانند سدیم هیدروکسید 50%، معمولاً توصیه می‌شود از سیلیکون‌های پخته‌شده با پراکسید استفاده شود که می‌توانند در دماهای بالا تا حدود 150 درجه سانتی‌گراد به‌صورت مداوم کار کنند. آزمایشگاه‌هایی که با حلال‌های قطبی از جمله استون و اتانول کار می‌کنند باید گزینه‌های پخته‌شده با پلاتین را انتخاب کنند که سطح مواد قابل استخراج در آنها کمتر از 0.1% باشد. بر اساس تحقیقات منتشرشده سال گذشته، انتخاب نادرست ساچمه‌ها در واقع تقریباً عامل یک‌پنجم تمام حوادث آزمایشگاهی مرتبط با حلال‌های کلردار مانند دی‌کلرومتن است.

افزایش عمر مفید: راهنمای تمیزکاری، نگهداری و استفاده

نگهداری مناسب می‌تواند عمر ساچمه‌های سیلیکونی را 3 تا 5 سال افزایش دهد:

• تمیز کردن با مواد شوینده خنثی از نظر pH و پرهیز از محلول‌های حاوی سفیدکننده
• نگهداری به صورت عمودی در ظرف‌های محافظ در برابر UV و در دمای زیر 30°C
• به‌منظور جلوگیری از فشردگی در اتوکلاوهای با فشار بالا، مهره‌های سیلیکونی را هر ماه یکبار بچرخانید
  مدیران آزمایشگاه گزارش داده‌اند که با رعایت این شیوه‌ها نسبت به روش‌های تصادفی، تعویض مهره‌ها تا ۷۲٪ کاهش یافته است

آزمایشگاه‌ها را با راه‌حل‌های سیلیکونی پیش‌استریلیزه و معتبرسازی‌شده برای آینده آماده کنید

برای کاربردهای حیاتی، از مهره‌های پیش‌استریلیزه‌شده که مطابق با استانداردهای USP Class VI و ISO 10993 تأییدیه دارند، استفاده کنید. این محصولات تحت ارزیابی دقیقی برای سمیت سلولی (کمتر از 20٪ مهار سلولی) و سطح اندوتوکسین (کمتر از 0.25 EU/mL) قرار می‌گیرند و خطر آلودگی در کشت سلولی را نسبت به گزینه‌های بدون تأییدیه تا 91٪ کاهش می‌دهند

سوالات متداول

چرا لاستیک سیلیکونی در برابر مواد شیمیایی مقاوم است؟ مقاومت لاستیک سیلیکونی ناشی از ساختار پشتیبانی سیلیکون-اکسیژن است که نسبت به پلاستیک‌های مبتنی بر کربن پایدارتر است

چرا باید برای شرایط pH بسیار بالا یا پایین از مهره‌های سیلیکونی استفاده کنم؟ مهره‌های سیلیکونی پایداری خود را در دامنه گسترده‌ای از سطوح pH حفظ می‌کنند و بنابراین برای آزمایشگاه‌هایی که با واکنش‌های شیمیایی با pH متغیر سروکار دارند مناسب هستند

آیا لاستیک سیلیکونی می‌تواند به طور مؤثر با حلال‌های قطبی و غیرقطبی کار کند؟ بله، لاستیک سیلیکونی پایداری عالی در برابر حلال‌های قطبی و غیرقطبی از خود نشان می‌دهد و باعث کاهش تورم و تخریب می‌شود.

محدودیت‌های رایج سیلیکون چیست؟ سیلیکون ممکن است با اکسیدکننده‌های قوی مانند پراکسید هیدروژن واکنش دهد، هرچند انواع فلوروسیلیکونی می‌توانند پایداری اکسیداتیو بهتری ارائه دهند.