จุกยางซิลิโคน: ทนต่อสารเคมีสำหรับการใช้งานในห้องปฏิบัติการ

วิทยาศาสตร์เบื้องหลังความต้านทานสารเคมีของซิลิโคน

โครงสร้างระดับโมเลกุลที่อยู่เบื้องหลังความต้านทานสารเคมีของยางซิลิโคน

อะไรทำให้ยางซิลิโคนมีความต้านทานต่อสารเคมีได้ดีเยี่ยม? คำตอบอยู่ที่โครงสร้างแกนหลักของซิลิคอน-ออกซิเจน (Si-O) ซึ่งมีความเสถียรมากกว่ายางพลาสติกทั่วไปที่ใช้คาร์บอนเป็นแกนหลัก โครงสร้างพิเศษนี้ช่วยสร้างเกราะป้องกันที่แข็งแรงจากการเสื่อมสภาพในระดับโมเลกุล แม้จะสัมผัสกับสารเคมีที่รุนแรงก็ตาม หมู่เมธิลหรือฟีนิลที่ยื่นออกมาจากโซ่หลักทำหน้าที่คล้ายเกราะป้องกัน จำกัดการสัมผัสระหว่างพื้นผิวยางกับวัสดุกัดกร่อน ส่วนจุกยางธรรมชาตินั้นมีพฤติกรรมต่างออกไป เพราะมักเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะที่รุนแรง ซิลิโคนหลีกเลี่ยงปัญหานี้ได้เนื่องจากโมเลกุลของมันไม่แตกตัวง่ายเหมือนยางธรรมชาติ จึงทำให้คงรูปร่างและแรงยึดเหนี่ยวไว้ได้นาน ทำให้เหมาะอย่างยิ่งกับการใช้งานที่ต้องการความต้านทานสารเคมีในระยะยาว

ความเสถียรในสภาวะ pH สุดขั้ว: ความเข้ากันได้ของซิลิโคนกับกรดและเบส

จุกซิลิโคนทำงานได้ดีในสารละลายหลากหลายชนิด ตั้งแต่กรดที่มีความเข้มข้นสูงที่ pH 1 เช่น กรดซัลฟิวริกเข้มข้น ไปจนถึงสารที่มีความเป็นเบสสูงที่ pH 14 เช่น โซเดียมไฮดรอกไซด์ สิ่งที่ทำให้ซิลิโคนโดดเด่นคือความสามารถในการอยู่นิ่งโดยไม่เกิดปฏิกิริยา จึงไม่ก่อให้เกิดการแลกเปลี่ยนไอออนที่ไม่ต้องการเมื่ออยู่ในสภาวะเป็นกรด ไม่สลายตัวจากการไฮโดรไลซิสในสภาวะเป็นด่าง หรือไม่เกิดความเสียหายที่ผิวหน้าเหมือนยางธรรมชาติที่มักเกิดขึ้นตามกาลเวลา เนื่องจากสามารถทนต่อสภาวะสุดขั้วเหล่านี้ได้โดยไม่เสื่อมสภาพ จุกซิลิโคนจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในห้องปฏิบัติการที่จัดการกับสารบัฟเฟอร์ทางเภสัชกรรม หรือดำเนินปฏิกิริยาเคมีที่ระดับ pH มีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาในระหว่างการทดลอง

สมรรถนะต่อต้านตัวทำละลายแบบโพลาร์และนอนโพลาร์

ซิลิโคนทนต่อตัวทำละลายขั้ว เช่น เอทานอล (ความเข้มข้นไม่เกิน 70%) และไอโซโพรพานอล แต่มีความสามารถโดดเด่นในการจัดการกับสารที่ไม่มีขั้ว การทดสอบแสดงให้เห็นว่ามีการบวมน้อยกว่า 10% หลังจากแช่ในเฮกเซน โทลูอีน และคลอโรฟอร์ม เป็นเวลา 72 ชั่วโมง ซึ่งแสดงถึงความเสถียรที่เหนือกว่าจุกยางบิวทิล ที่มีการบวม 40–60% เมื่อสัมผัสกับไฮโดรคาร์บอนในลักษณะเดียวกัน

ผลกระทบของอุณหภูมิ ความเข้มข้น และระยะเวลาการสัมผัสต่อความต้านทาน

การทดสอบการเสื่อมสภาพเร่งรูปแบบเปิดเผยว่า ความต้านทานแรงดึงของจุกซิลิโคนลดลง 15% เมื่อสัมผัสกับสารเคมีที่อุณหภูมิ 100°C เป็นเวลา 500 ชั่วโมง ซึ่งดีกว่ายาง EPDM ถึงสามเท่า อย่างไรก็ตาม กรดไนตริกเข้มข้น (≥68%) จะทำให้เกิดรอยแตกร้าวบนพื้นผิวอย่างค่อยเป็นค่อยไปเมื่อเกินขีดจำกัดที่ผู้ผลิตแนะนำ ซึ่งเน้นย้ำความสำคัญของการใช้งานให้สอดคล้องกับโปรไฟล์การสัมผัส

ข้อจำกัด: เหตุใดซิลิโคนจึงทำปฏิกิริยากับออกซิไดเซอร์ชนิดแรง แม้จะเฉื่อยทางเคมี

แม้ว่าซิลิโคนจะมีความเฉื่อยโดยทั่วไป แต่มันก็จะเสื่อมสภาพเมื่อสัมผัสกับสารออกซิไดซ์ที่รุนแรง เช่น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (>30%) และกรดซัลฟิวริกเข้มข้น สารเหล่านี้จะเริ่มต้นปฏิกิริยาลูกโซ่แบบเรเดอรีคัลที่ทำลายโครงสร้างหลักของซิลิโคน (Si-O) สำหรับสภาพแวดล้อมดังกล่าว ควรใช้ซิลิโคนชนิดฟลูออรีนแทน เนื่องจากหมู่ฟลูออรีนช่วยลดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนและเพิ่มความคงตัวต่อการออกซิเดชัน

ความเสี่ยงจากการเสื่อมสภาพทางเคมี และกรณีความล้มเหลวจริงในทางปฏิบัติ

กรณีความล้มเหลวทั่วไปของจุกปิดที่ไม่ใช่ซิลิโคน เมื่อสัมผัสกับสารเคมีกัดกร่อน

เมื่อจุกยางธรรมชาติ จุกยางลาเท็กซ์ และจุกบิวทิลรับเบอร์สัมผัสกับกรด ตัวทำละลาย หรือสารออกซิไดซ์ จะมีแนวโน้มเสื่อมสภาพอย่างรุนแรงตามกาลเวลา การศึกษาเมื่อปีที่แล้วแสดงให้เห็นถึงผลลัพธ์ที่น่าตกใจเกี่ยวกับจุกยางธรรมชาติ โดยประมาณสองในสามของจุกเหล่านี้เริ่มแตกร้าวหลังจากวางอยู่ในสารละลายกรดซัลฟิวริกความเข้มข้น 30% เพียงแค่สามวัน เนื่องจากโซ่โพลิเมอร์ภายในแตกตัวอย่างสิ้นเชิง ส่วนอะซิโตนจะทำให้จุกยางลาเท็กซ์บวมอย่างถาวรเพิ่มขึ้นประมาณ 12 ถึง 15% ในปริมาตร และหากจุกบิวทิลรับเบอร์ถูกสัมผัสกับไฮโดรคาร์บอนชนิดนอนโพลาร์ ก็จะเกิดตุ่มพองน่ารำคาญขึ้น เนื่องจากสารเคมีซึมผ่านวัสดุ ปัญหาทั้งหมดเหล่านี้ทำให้ซีลไม่สามารถทำงานได้อย่างเหมาะสม อีกทั้งห้องปฏิบัติการหลายแห่งรายงานว่ามีตัวอย่างสัมผัสกับมลพิษ หรือแย่กว่านั้นคือไอระเหยอันตรายอาจรั่วไหลออกมาเมื่อจุกที่เสื่อมสภาพไม่สามารถรักษาซีลได้อย่างมีประสิทธิภาพ

กรณีศึกษา: การบวมและแตกร้าวของจุกอีลาสโตเมอร์ในสภาวะแวดล้อมที่มีตัวทำละลาย

การดู 150 ปิดยางที่ล้มเหลว จากห้องทดลองยาต่างๆ เมื่อปี 2022 พบว่ามีบางอย่างที่น่าสนใจ เมื่อหมวกยางฟลูออโรคาร์บอนเหล่านี้ถูกเผชิญกับสารละลายเคโตนซ้ําๆ เป็นเวลาหกเดือน พวกมันเพิ่มน้ําหนักประมาณ 9% เนื่องจากอุดตันในขณะที่สูญเสียความแข็งแรงในการดึงเกือบ 40% การอ่อนแอนี้ทําให้อนุภาคหลุดออกเมื่อยาถังถูกสั่นหรือสั่น ซึ่งเป็นปัญหาที่ร้ายแรงในการผลิตยาฉีด แต่สถานการณ์ดูดีกว่ามาก กับซิลิโคนยางแลกเปลี่ยน กลิ่นเหล่านี้มีขนาดลดลงเพียงไม่ถึง 2% ในสภาพการทดสอบที่คล้ายกัน เนื่องจากโครงสร้างไซโลแซนที่เชื่อมต่อกันพิเศษของพวกเขาป้องกันสารละลายส่วนใหญ่จากการเข้าเข้าไปในตัวของพวกเขาในที่แรก

การทดสอบและรับรองความทนทานทางเคมีในปฏิบัติ

โปรโตคอลมาตรฐานสําหรับการประเมินความต้านทานของเครื่องปิดห้องปฏิบัติการ

การทดสอบความต้านทานต่อสารเคมีของจุกยางถูกควบคุมตามมาตรฐานอุตสาหกรรม เช่น ASTM D471 และ ISO 1817 การทดสอบเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการนำจุกไปจุ่มในสารเคมีเฉพาะที่อุณหภูมิหนึ่งเป็นระยะเวลาที่กำหนดไว้ วัตถุประสงค์หลักคือการตรวจสอบว่าจุกยังคงสภาพสมบูรณ์ภายใต้สภาวะดังกล่าวหรือไม่ พารามิเตอร์ในการทดสอบรวมถึงระยะเวลาที่จุ่ม ซึ่งโดยทั่วไปอาจตั้งแต่ 24 ชั่วโมง ไปจนถึงมากกว่า 1,000 ชั่วโมง รวมถึงการพิจารณาความเข้มข้นต่างๆ ตั้งแต่ร้อยละศูนย์ไปจนถึงความเข้มข้นเต็มที่ ตัวอย่างเช่น มาตรฐาน ASTM D471 จะจำกัดการบวมของวัสดุซิลิโคนเมื่อนำไปจุ่มในตัวทำละลายไฮโดรคาร์บอน โดยกำหนดเพดานการขยายตัวไว้ที่ประมาณร้อยละ 15 ซึ่งช่วยให้ผู้ผลิตทราบถึงประสิทธิภาพที่สามารถคาดหวังได้ในการใช้งานจริง

การวัดการเสื่อมสภาพ: การเปลี่ยนแปลงน้ำหนัก ความแข็ง และแรงดึง

ตัวชี้วัดที่วัดค่าได้ช่วยในการพิจารณาความเหมาะสมของวัสดุ:

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าจุกซิลิโคนรักษาระดับความแข็งที่ลดลงน้อยกว่า 8% หลังจากสัมผัสกรดซัลฟิวริก 30% เป็นเวลา 500 ชั่วโมง ซึ่งดีกว่ายางธรรมชาติอย่างมาก ซึ่งแสดงการเสื่อมสภาพระหว่าง 20–35% ในเงื่อนไขเดียวกัน

การจำลองการสัมผัสในระยะยาวภายใต้สภาวะกรดและด่าง

การทดสอบในห้องปฏิบัติการที่เร่งกระบวนการเสื่อมสภาพจะทำให้จุกปิดสัมผัสกับระดับความเป็นกรด-ด่างสุดขั้วตั้งแต่ 1 ถึง 14 ในขณะที่รักษาอุณหภูมิให้สูงระหว่าง 70 ถึง 120 องศาเซลเซียส สภาพแวดล้อมดังกล่าวเลียนแบบสิ่งที่อาจเกิดขึ้นหลังจากการใช้งานตามปกติในห้องปฏิบัติการประมาณห้าปี เมื่อนำวัสดุซิลิโคนมาจุ่มไว้ในสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ร้อยละ 40 เป็นเวลา 12 เดือน วัสดุเหล่านี้ยังคงความยืดหยุ่นเดิมไว้ได้ประมาณร้อยละ 92 อย่างไรก็ตาม ยางไนไตรล์กลับทำได้ไม่ดีนัก โดยสูญเสียความยืดหยุ่นไปเกือบสองในสามภายใต้สภาวะเดียวกัน ปัญหายิ่งทวีความรุนแรงขึ้นเมื่อวัสดุเหล่านี้ต้องเปลี่ยนผ่านระหว่างสภาวะกรดและด่างซ้ำๆ สภาวะความเครียดดังกล่าวทำให้วัสดุมีแนวโน้มเกิดรอยแตกที่ผิวเร็วขึ้น สำหรับผู้ที่ทำงานกับขวดยาเภสัชกรรมที่ต้องทนต่อรอบการฆ่าเชื้อด้วยเครื่องอบไอน้ำ (autoclave sterilization cycles) ข้อมูลนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเลือกวัสดุปิดผนึกที่เหมาะสม

ลดช่องว่าง: ความแตกต่างระหว่างข้อมูลจากห้องปฏิบัติการกับข้ออ้างของผู้ผลิต

ผู้ผลิตมักจะรายงานค่าความต้านทานต่อสารเคมีที่อุณหภูมิ 23°C แต่ในสภาวะการใช้งานจริง เช่น การตั้งระบบรีฟลักซ์ที่อุณหภูมิ 85°C อาจทำให้สมรรถนะของซิลิโคนลดลง 18–30% เมื่อสัมผัสกับคีโตนและเอสเทอร์ การทดสอบจากหน่วยงานภายนอกผ่านห้องปฏิบัติการที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน ISO/IEC 17025 สามารถแก้ไขปัญหาความไม่ตรงกันของข้อกำหนดได้ถึง 83% โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับตัวทำละลายฮาโลเจน เช่น ไดคลอโรเมธาน

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการเลือกและการใช้จุกยางซิลิโคน

การเลือกระดับเกรดของจุกให้เหมาะสมกับโปรไฟล์การสัมผัสสารเคมีเฉพาะ

การเลือกจุกยางซิลิโคนที่เหมาะสมหมายถึงการพิจารณาความเข้ากันได้ทางเคมีที่มากกว่าการพิจารณาค่าพีเอชเพียงอย่างเดียว เมื่อต้องทำงานกับกรดเข้มข้น เช่น กรดซัลฟิวริก 95% หรือเบสเข้มข้น เช่น โซเดียมไฮดรอกไซด์ 50% โดยทั่วไปจะแนะนำให้ใช้ซิลิโคนที่ผ่านการบ่มด้วยเปอร์ออกไซด์ ซึ่งสามารถทนต่ออุณหภูมิในการใช้งานต่อเนื่องได้สูงถึงประมาณ 150 องศาเซลเซียส ห้องปฏิบัติการที่ใช้ตัวทำละลายขั้ว เช่น อะซิโตนและเอทานอล ควรเลือกใช้แบบที่ผ่านการบ่มด้วยแพลตินัม ซึ่งมีระดับสารที่สกัดได้น้อยกว่า 0.1% ตามงานวิจัยล่าสุดที่ตีพิมพ์เมื่อปีที่แล้ว การเลือกจุกที่ไม่เหมาะสมเป็นสาเหตุของอุบัติเหตุในห้องปฏิบัติการที่เกี่ยวข้องกับตัวทำละลายคลอรีน เช่น ไดคลอโรเมเทน ถึงเกือบหนึ่งในห้า

การยืดอายุการใช้งาน: คำแนะนำในการทำความสะอาด จัดเก็บ และการใช้งาน

การดูแลรักษาที่เหมาะสมสามารถยืดอายุการใช้งานของจุกซิลิโคนได้อีก 3–5 ปี:

• ทำความสะอาดด้วยน้ำยาทำความสะอาดที่มีค่าพีเอชเป็นกลาง และหลีกเลี่ยงสารละลายที่มีส่วนผสมของน้ำยาฟอกขาว
• จัดเก็บในแนวตั้ง ในภาชนะที่ป้องกันรังสี UV และอุณหภูมิต่ำกว่า 30°C
• หมุนเปลี่ยนตัวหยุดเดือนละครั้งเพื่อป้องกันการเสื่อมจากแรงอัดในเครื่องอบฆ่าเชื้อความดันสูง
  ผู้จัดการห้องปฏิบัติการรายงานว่ามีการลดการเปลี่ยนอุปกรณ์ลง 72% เมื่อดำเนินการตามแนวทางเหล่านี้เมื่อเทียบกับการจัดการแบบไม่เป็นระบบ

เตรียมความพร้อมให้ห้องปฏิบัติการในอนาคตด้วยตัวหยุดซิลิโคนที่ผ่านการฆ่าเชื้อล่วงหน้าและได้รับการรับรองมาตรฐาน

สำหรับการใช้งานที่สำคัญ ควรเลือกใช้ตัวหยุดที่ผ่านการฆ่าเชื้อล่วงหน้าและได้รับการรับรองตามมาตรฐาน USP Class VI และ ISO 10993 อุปกรณ์เหล่านี้จะผ่านการประเมินอย่างเข้มงวดในด้านพิษต่อเซลล์ (¤20% การยับยั้งเซลล์) และระดับเอ็นโดท็อกซิน (<0.25 EU/mL) ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการปนเปื้อนในเพาะเลี้ยงเซลล์ลง 91% เมื่อเทียบกับทางเลือกที่ไม่ได้รับการรับรอง

คำถามที่พบบ่อย

ซิลิโคนยางมีความต้านทานทางเคมีได้อย่างไร ความต้านทานของซิลิโคนยางเกิดจากโครงสร้างสายโซ่หลักที่ประกอบด้วยซิลิคอน-ออกซิเจน ซึ่งมีความเสถียรมากกว่าพลาสติกที่มีโครงสร้างจากคาร์บอน

ทำไมฉันควรเลือกใช้ตัวหยุดซิลิโคนสำหรับสภาวะที่มีค่า pH สุดขั้ว ตัวหยุดซิลิโคนให้ความคงตัวในช่วงค่า pH กว้าง ทำให้เหมาะสมกับห้องปฏิบัติการที่ต้องจัดการกับปฏิกิริยาเคมีที่มีการเปลี่ยนแปลงค่า pH

ซิลิโคนรับมือกับตัวทำละลายแบบโพลาร์และไม่โพลาร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่ ใช่ ซิลิโคนแสดงความคงตัวที่เหนือกว่าต่อตัวทำละลายทั้งแบบโพลาร์และไม่โพลาร์ ช่วยลดการบวมและการเสื่อมสภาพ

ข้อจำกัดทั่วไปของซิลิโคนคืออะไร ซิลิโคนสามารถทำปฏิกิริยากับสารออกซิไดซ์ที่เข้มข้น เช่น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ แม้ว่าซิลิโคนชนิดฟลูออรีนจะสามารถให้ความคงตัวต่อการเกิดออกซิเดชันที่ดีขึ้น