8. Silikony - Happy Materials

Plasty pro stavebnictví a architekturu 9 –
Knihovny materiálů
20. 3. 2008, IVANA VEJRAŽKOVÁ
Vztah mezi kulturou a materiály nejzřetelněji vyplývá z pojmenování civilizačních
epoch podle materiálů – doba kamenná, bronzová a železná. Ve starověkých civilizacích
nebylo zřetelné rozdělení oborů na vědu či umění. V té době především žádná věda, jak
ji chápeme dnes, neexistovala. Nicméně bez znalostí termodynamických zákonů,
krystalických struktur nebo fázových diagramů naši předci objevili materiály, které
používáme dodnes – kovy, tmely, pigmenty, keramiku, kompozitní materiály či sklo.
Každá civilizace posouvala znalosti materiálových technologií, k plnému rozvoji teorie
materiálů však došlo až ve 20. století. Kořeny této teorie lze nalézt v období renesance v 15.
a 16. století, kdy byly zdokonalovány alchymistické postupy. Přestože byly zahaleny
okultismem, příznivci alchymie toužili objevit skryté principy transformace některých
materiálů a zjevné nezměnitelnosti jiných materiálů, jako jsou rtuť nebo síra. Mimo jiné tyto
experimenty vedly k objevu pigmentů, mořidel a pojiv, které používali Michelangelo, Tizian
a jiní renesanční umělci. Tento vývoj materiálů byl veden jak estetickými, tak
technologickými cíli. Bylo to velmi plodné období, ve kterém se zrodilo pojetí vědy a vědců,
přestože tyto pojmy se začaly používat až mnohem později.
Objevy z doby osvícenství a nové přístupy k posuzování přírodního světa s cílem objevit jeho
mechanismy vyvolaly silnou reakci různých skupin západní společnosti. Obzvláště extrémní
proud v romantickém hnutí brojil proti „dekonstrukci“ přírody.
Filosofický rozkol mezi romantiky a racionalisty se prohloubil v 19. století se začátkem
průmyslové revoluce. Určující materiál tohoto století – ocel – umožnil inženýrům plně
uskutečnit jejich sny a sestrojit visuté mosty, železniční dráhy a parní stroje. Ocel byla
vnímána jako materiál měnící vzhled krajiny a přinášející pokrok. Industrializace venkova
i měst ukazovala sílu vědy, která měla moc transformovat společnost.
Vědecký projekt katalogizace přírody vedl k rozvoji deduktivní teorie. Ta přinesla nejen nová
poznání o sledovaném jevu, ale i předpoklad jevů nových. Chemie jako vědecká disciplína
výrazně pokročila v 19. století, kdy začala systematicky zkoumat vlastnosti materiálů.
Výsledkem byla periodická tabulka prvků, na základě které byla předpovězena existence
některých prvků – a ty také byly později objeveny. Výzkum vedl mimo jiné k objevu nových
pigmentů. Kobaltová modř a kadmiová žluť podnítily vznik impresionismu. Dalo by se
předpokládat, že objev nových pigmentů povede k užší spolupráci umělců a vědců. Ve
skutečnosti to byl konec společného zkoumání materiálů. Od této doby se výzkum a vývoj
materiálů stává výlučně záležitostí vědecké aktivity.
20. století je často nazýváno stoletím křemíku s odvoláním na zásadní objevy vedoucí ke
vzniku křemíkových čipů a digitálních technologií. Tím je ale opomíjena řada dalších nových
materiálů, které způsobily civilizační převrat. Architekti začali používat masově vyráběné
tabulové sklo a kombinací se strukturální ocelí vytvořili mrakodrapy, totálně měnící vzhled
měst. Produktoví designéři a oděvní návrháři využili nové plasty a zcela tím přeměnili naše
domovy a módu. Výzkum plastů vedl ke vzniku celuloidu a následně filmu, který znamenal
největší změnu ve vizuální kultuře za poslední tisíciletí. Vývoj hliníkových a niklových slitin
snížil ceny letenek, létání se zpřístupnilo širokým masám a tím se výrazně urychlilo křížení
kultur. Lékařské keramické a polymerní materiály a jejich možnosti „obnovy“ lidského těla
vedly ke změně chápání invalidity a věku.
20. století se stalo stoletím materiálové revoluce, ve které nové materiály přinesly výraznou
změnu do architektury, produktového designu, urbanismu, módy, dopravních technologií,
medicíny i vizuálního umění. Přestože vědci, technologové a pracovníci v průmyslu (vědecká
komunita) vyvíjejí nové materiály pro architekty, designéry, média, řemeslníky a umělce
(uměleckou komunitu), jsou obě komunity hluboce odděleny.
Obr. 1: Senzoestetické a fyzikální vlastnosti, jejich využití různými profesemi na různých
úrovních měřítka
Tento stav není žádoucí z mnoha příčin. Za prvé – umělecká komunita plně neurčuje zaměření
materiálového výzkumu hrazeného z veřejných zdrojů (v současné době je to především
vojenský a průmyslový sektor, který úzce spolupracuje s výzkumem materiálů). Za druhé –
kulturní sektor má za sebou dlouhou historii hledání zajímavých problémů, z jejichž řešení
těží umění a posouvá vědu kupředu. Příkladem takového problému může být potřeba
haptických materiálů pro digitální média. Haptické materiály mění své vlastnosti v odezvě na
digitální podnět, takže virtuální dotyk a hmatová odezva se mohou stát (virtuální) realitou.
Tyto nové materiály mohou mít dopad na architekturu, produktový design, šperkařství, oblast
speciálních efektů i na umění. Za třetí – materiály mají obrovský kulturní význam a jejich
další vývoj izolovanou vědeckou komunitou by vedl k prohloubení rozporu mezi vědci
a umělci.
Obr. 2: Část sbírky knihovny materiálů v King’s College v Londýně, která byla vytvořena
jako otevřené fórum pro umělce, architekty,
Obr. 3: Mechanicky namáhaný polyuretan
Směrem k vývoji nových senzoestetických materiálů
Věda o materiálech studuje strukturu materiálů. Je postavena na základním zjištění, že
struktura vždy ovlivňuje vlastnosti materiálu (pevnost, tuhost atd.). Rozvoj materiálové vědy
byl umožněn objevem nových vědeckých instrumentů, které umožnily studovat strukturu
v různých měřítcích, nejdříve pomocí optického mikroskopu, později elektronového
a atomového silového mikroskopu a jiných technik. Tato zkoumání dala vznik teorii, která
umožňuje předpokládat metody zdokonalení určité vlastnosti. Tedy teorie, simulace
a experimenty tvoří základ systematického výzkumu nových materiálů.
Těsné vztahy mezi materiálovými vědci a inženýry umožňuje jejich společný jazyk.
Materiálové testy a vytváření matematických definicí vlastností materiálů byly velmi přesně
kvantifikovány. Byly vytvořeny rozsáhlé databáze, díky kterým lze převádět krystalovou
strukturu, chemickou vazbu, nanostrukturu a mikrostrukturu, tedy oblasti studované
materiálovými vědci, do řeči, které rozumějí inženýři, tedy na tuhost, pevnost, pružnost atd.
Vztahy mezi materiálovými vědci a inženýry jsou obzvláště těsné tam, kde tato spolupráce, na
základě které dojde ke zdokonalení vlastností výrobku, je klíčová pro jeho komerční úspěch,
např. v oblasti elektroniky nebo vesmírného výzkumu. Na vývoji proudových motorů pracují
inženýři a materiáloví vědci ve všech měřítcích. Schopnost přenášet informace nahoru i dolů
na ose měřítka je klíčová pro inovace; je možné snížit cenu leteckého provozu a zvýšit její
bezpečnost. Toto rozdělení přístupu různých profesí a funkcí struktur je patrné z obr. 1.
Situace je však jiná u struktur, jejichž vlastnosti nejsou založeny pouze na fyzikálních
parametrech, ale také na senzoestetických vlastnostech materiálu (smyslových, estetických
a psychologických). Struktury, jako jsou budovy, interiéry, veřejné prostory, šaty, musí být
pohodlné a vyvolávat spokojenost a pohodu svých uživatelů. Proto jsou obvykle navrhovány
uměleckou komunitou, která chápe tyto potřeby. Naopak v kosmickém výzkumu neexistuje
žádná metodologie pro vývoj materiálů se senzoestetickými vlastnostmi.
Jedním z důvodů tohoto jevu je subjektivní vnímání senzoestetických vlastností, a tedy
nemožnosti jejich zkoumání vědou o materiálech. Například estetické vnímání dřevěného
interiéru se liší podle kulturního zázemí pozorovatele. Přesto některé materiály jsou obecně
vnímány jako teplé (dřevo) a jiné chladné (kovy). Tato generalizace má původ spíše v naší
biologii než společném kulturním názoru. Kovy jsou dobré vodiče tepla, rychle odvádějí teplo
ze svého povrchu, a proto jsou vnímány jako chladné na dotek. Dřevo je tepelný izolant, platí
tedy přesný opak. Vzájemné vztahy mezi člověkem a jeho materiálovým okolím jsou
zprostředkovány pomocí smyslů – zrakem, čichem, zvukem, dotekem a chutí materiálů. Tyto
senzoestetické vlastnosti jsou jedinečné, protože zahrnují také psychologickou složku.
Například modrá barva není mozkem vnímána jako jedna pevně daná barva, ale její vnímání
je podmíněno barvou okolí. Podobně chuť materiálu závisí na všech souvislostech během
jídla. Pokud člověku chybí čich, rajče může chutnat jako jablko.
Obr. 4: Křemičitý aerogel vyrobený v laboratořích NASA je transparentní formou písku,
jehož nanostruktura obsahuje až 99,8 % vzduchu. Aerogel je nejlehčí pevná látka na světě
Obr. 5: Mísa na ovoce z uranového skla byla vyrobena v Austrálii v roce 1950. Sklo obsahuje
stopy oxidu uraničitého, při nasvícení UV světlem mísa vyzařuje zelené fluorescenční světlo.
Přítomnost uranu způsobuje také mírnou radioaktivitu objektu, v těchto koncentracích však
lidské zdraví není nijak ohroženo.
Role knihoven materiálů
Materiály, do kterých se oblékáme a které definují naše domovy a města, jsou vybrány
produktovými designéry, módními návrháři a architekty z ohromné škály produktů.
Obsáhnout celou šíři nabídky materiálů je velmi obtížný úkol, vyžaduje encyklopedické
znalosti a porozumění všech typů materiálových technologií. To je zcela nemožné pro malé
firmy, natož pro jednotlivce.
Řešením je vybudování knihoven materiálů, v jejichž depozitářích jsou uloženy materiály
stejně jako knihy v běžných knihovnách. Fyzická přítomnost vzorků je naprosto nezbytná,
protože senzoestetické vlastnosti jsou nekvantifikovatelné a nepřenositelné. Knihovny
materiálů jsou novým fenoménem, první z nich vznikla v roce 1997 v New Yorku. Později
vznikly knihovny v Amsterodamu, Berlíně, Paříži a Londýně. Také přední designová
a architektonická studia rozpoznala důležitost znalosti materiálů a vytvořila si vlastní týmy
specialistů na materiály (IDEO, Seymour Powell, Foster and partners, Arup).
V současné době knihovny materiálů obsahují pouze zlomek nynější produkce. Na rozdíl od
běžných knihoven, které se vyvíjejí stovky let a už dávno byly sjednoceny jejich formáty
a taxonomie, koncept knihoven materiálů se teprve tvoří. Některé se profilují pouze jako
virtuální databáze s malým množstvím fyzických vzorků, jiné se specializují na určitý druh
materiálů nebo na koncové uživatele knihovny. Rozvoj knihoven materiálů bude určitě
pokračovat jako styčná plocha mezi vědou a uměním, ale také mezi výrobci materiálů a jejich
uživateli. Knihovny nabízejí řešení problémů vyplývajících z rostoucí specializace a složitosti
celé problematiky materiálů. Jsou odpovědí na potřebu centrálního registru informací
o existujících materiálech.
foto archiv King’s College
Zdroj: Miodownik, Mark A.: The Arts. What Use To Materials Science, King’s College
London.
Ing. Ivana Vejražková (*1967)
absolvovala VŠCHT v Praze. Pracuje ve firmě Happy Materials, která se zabývá konzultační
činností v oblasti polymerních materiálů a která vytváří databázi materiálů.
Plasty pro stavebnictví a architekturu 8 –
Silikony
27. 5. 2008, IVANA VEJRAŽKOVÁ
Leštidla na karosérie aut, kosmetika, nepromokavé oděvy, mikročipy, poznámkové
bločky post-it®, skleněné fasády moderních budov, tepelné štíty kosmických raket –
tisíce moderních výrobků jsou určitým způsobem spojeny se silikony.
Křemík (silicium) je druhým nejrozšířenějším prvkem na Zemi. Tvoří 26 % zemské kůry, byl
také nalezen v meteoritech a vzorcích nerostů z Měsíce. V přírodě se však nikdy nevyskytuje
ve své čisté formě, ale pouze v chemicky a tepelně stabilních sloučeninách s kyslíkem.
Nejběžnější formou nerostů s obsahem křemíkových sloučenin je křemen nebo žula.
Obr. 1: Molekula silikonu
Obr. 2: Vodoodpudivá vrstva na bázi silikonu se hluboce penetruje do povrchu. Chemicky
reaguje s povrchem substrátu, zajišťuje tak odolnou ochranu s vysokou propustností pro vodní
páry.
Obr. 3: Cihla ošetřená silikonovým impregračním činidlem Z-6689 firmy Dow Corning
Co jsou silikony
Silikony jsou syntetické, v přírodě se nevyskytující látky, kde hlavní řetězec molekuly je
tvořen střídajícími se atomy křemíku a kyslíku a na křemík jsou vázané další organické
radikály, nejčastěji methylová skupina. Kromě methylových skupin mohou být na řetězce –
Si–O–Si– vázány nejrůznější jiné radikály. Lineární silikonové polymery mohou být
v různém rozsahu příčně zesíťované, nebo spojené kovalentně přes různé skupiny atomů. Tím
se silikony stávají neuvěřitelně versatilním materiálem, jsou vyráběny v různých formách od
tuhých látek přes semiviskózní pasty, maziva a oleje až ke kapalným formám a volbou
radikálů lze modifikovat jejich vlastnosti.
Některé termíny používané v silikonové chemii vycházejí z názvosloví organické chemie.
Například termín „silan“ je používán pro sloučeninu SiH4, která je odvozena od metanu –
uhlíkového analogu CH4.
Termín „silikon“ byl zaveden F. S. Kippingem, objevitelem, který na jejich výzkumu
pracoval v letech 1910 až 1940 na Univerzitě v Nottinghamu. Kipping se na základě svého
objevu přípravy silikonů mylně domníval, že silikony jsou křemíkovým analogem ketonů.
Silikony jsou vlastně zjednodušeným názvem pro „polyorganosiloxany“.
Vývoj silikonové chemie
Křemíkové sloučeniny vždy hrály důležitou roli ve vývoji lidstva. Na našem území se už
v mezolitu asi před 10 000 až 7000 lety opracovával pazourek, staří Egypťané vyvinuli
výrobu skla tavením písku a od té doby se technologický vývoj křemíkových sloučenin
nezastavil.
V roce 1823 byl izolován z písku křemík ve své elementární podobě, a to byla základní
surovina pro přípravu silikonů. První organosilikonové polymery připravil v roce 1907 F. S.
Kipping, který je považoval pouze za chemickou kuriozitu a vůbec nedokázal dohlédnout
význam svého objevu. Silikonová chemie se začala prudce rozvíjet až v době 2. světové
války, zejména díky vojenským aplikacím v USA a Německu.
VLASTNOSTI SILIKONŮ
Silikony mají řadu unikátních vlastností, které se v této kombinaci nevyskytují u žádné jiné
skupiny polymerů.
Adhezivita
Silikony mají vynikající adhezivní vlastnosti, které jsou výsledkem chemické vazby mezi
organickou polymerní matricí silikonu a substrátu. Silikonovými tmely lze lepit i materiály,
které jsou jinak obtížně lepitelné (beton, sklo, kov). Vzniklá chemická vazba je velmi pevná
a spolehlivější než spoje vytvořené mechanickou nebo fyzikální cestou.
Silikonové tmely jsou využívané především ve stavebnictví, automobilovém, leteckém
a námořním průmyslu, kde pevnost spoje je klíčová a namáhání spojů značné.
Stabilita
Tepelná stabilita silikonů vychází z vysoké tepelné stability vazeb Si–O a Si–CH3. Silikony
bez problémů odolávají teplotám 180–200 °C, krátkodobě až 300 °C. Nicméně silikony
mohou být snadno rozloženy koncentrovanými kyselinami a zásadami už při pokojové
teplotě.
Obr. 4: Dřevo ošetřené silikonovým impregračním činidlem 2-9034 firmy Dow Corning
Obr. 5: Detail utěsnění okna s použitím silikonových tmelů Dow Corning 771 a 796
Fyzikální vlastnosti silikonů (především elasticita) se mění i v případě extrémních změn teplot
minimálně. Chladiva s obsahem silikonů jsou využívána k izolaci či chlazení chemických
reaktorů nebo k udržování konstantní teploty při testování přístrojů určených pro práci při
vysokých teplotách.
Elektroizolační vlastnosti
Silikony hrají zásadní úlohu v ochraně a izolaci elektrických zařízení. Methylové skupiny
pravidelně rozmístěné podél silikonové makromolekuly jsou nepolární a neumožňují
elektrickému náboji jeho prostup. Silikony jsou tedy nevodivé a mají vynikající
elektroizolační vlastnosti.
Silikony se používají k izolaci cívek transformátorů, vysokonapěťových vedení nebo
elektrických zážehových systémů. Automobilový průmysl masivně využívá silikony na
izolaci konektorů kabelů elektrického vedení.
Lubrikační vlastnosti
Silikonové lubrikanty, ve formě pasty, tmelu nebo kapaliny, výrazně snižují tření mezi dvěma
tělesy z různých materiálů – plastu, pryže, kovu nebo skla. Dobrá lubrikace je nezbytná
v případě extrémních tepelných podmínek a mechanického napětí, např. motor startuje i při
velmi nízkých zimních teplotách, závity nepropouštějí, mechanické části motoru nejsou
přehřívány a zůstávají intaktní.
Odpěňovací schopnosti
Tvorba pěny je skoro vždy nežádoucím jevem – snižuje hustotu kapaliny a zvyšuje její
viskozitu, komplikuje míchání a dopravu. Silikonové odpěňovače díky svému nízkému
povrchovému napětí likvidují pěnu velmi účinně.
Silikonové regulátory tvorby pěny jsou přidávány do detergentů, do technické celulózy při
výrobě papíru. Ve stavebnictví jsou silikonové odpěňovače používány pro regulaci množství
vzduchu v cementových směsích.
Fyziologická inertnost
Silikony jsou látky bez chuti a zápachu, nepodporují množení bakterií, nebarví ani
nezpůsobují korozi jiných materiálů. A navíc silikonové pryže vykazují vynikající
kompatibilitu s lidskou tkání a tělními kapalinami. Používají se pro výrobu očních čoček,
trubiček pro intravenózní systémy, kyslíkové masky, savičky pro děti a podobně.
Trvalá hydrofobicita
Všechny stavby jsou fyzikálně a chemicky poškozovány působením penetrující vody.
Silikony jsou vodoodpudivé s vysokou propustností pro vodní páry, zároveň zanechávají
materiál nezměněný v původní podobě.
Silikonová impregnační činidla a emulze se používají k průmyslové impregnaci střešních
tašek, keramických dlaždic, cihel, sádrokartonových desek, omítek, betonu, také jako přísady
do fasádních barev.
Příjemné na dotyk
Silikony v krémech dodávají pokožce hladký a měkký pocit a pomáhají udržovat její vlhkost.
Šampóny, kondicionéry, laky na vlasy, krémy, rtěnky jsou také výsledkem moderních
silikonových formulací.
Obr. 6: Budova České pojišťovny na Chodově – strukturální zasklení fasády lepené silikonem
Dow Corning 993
Obr. 7: BTV Chodov – venkovní utěsnění skleněné stěny silikonem Dow Corning 791
Silikony ve stavebnictví
Silikony mají na stavebnictví dramatický dopad. Díky nim mohou být budovány stavby
nejrozmanitějších tvarů a velikostí, které jsou pohodlnější a hlavně trvanlivější.
Silikony chrání
Silikonové těsnicí materiály bezpečně upevňují skla v rámech oken nebo skleněných
fasádách. Elastický charakter některých silikonových těsnicích tmelů (např. ve skleněných
fasádách) může eliminovat destrukční účinky až středně těžkých zemětřesení.
Silikony také prodlužují životnost povrchových nátěrů a úprav výrobků, a to i v extrémních
podmínkách. Ochraňují se tak námořní lodi, mosty, průmyslové stavby, kontejnery, potrubí
apod.
Silikony zpevňují
Díky vynikajícím adhezním vlastnostem a odolnosti silikonů je možné jimi spojovat většinu
materiálů – velmi porézních i neporézních, stejně jako obtížně lepitelných, jako jsou beton,
sklo, mramor, hliník, ocel a plasty.
Silikony mohou zpevnit drolící se fasádu, narušené spoje nebo jiné oslabené struktury bez
porušení integrity původního materiálu.
Moderní silikonové nátěry chrání tisíce rekonstruovaných historických budov před účinky
koroze – např. gotickou fasádu radnice v Bruggách, římsy Staré Pinakotéky v Mnichově nebo
Tower Bridge v Londýně. Silikony se také používají pro zhotovení forem při rekonstrukci
složitých štuků nebo soch.
Silikony přinášejí styl
Silikony dávají architektům možnost realizovat své sny. Nabízejí neuvěřitelnou flexibilitu
a potenciál pro architektonické inovace. Současná architektura vnáší do materiálů a struktur
další zatížení, vysoká kvalita materiálů je tedy nezbytná. Spoje vytvořené silikonovými
lepidly a tmely jsou pevné při změnách teploty, vlhkosti, při smršťování, působení větru,
zvuku i vibrací. Silikonová těsnění nejen dokonale těsní, ale mají i svou estetickou hodnotu.
Využití silikonů je velmi široké a ovlivňuje náš běžný život, i když si toho nemusíme být
vědomi. V současné době se zkoumá možnost využití silikonů v oblastech, jako jsou
biotechnologie, fotopické krystalové technologie a nanotechnologie.
foto archiv firmy Biesterfeld Silcom
Zdroj:
www.bisi.cz,
www.dowcorning.com,
www.silicone-europe.com.
Ing. Ivana Vejražková (*1967) absolvovala VŠCHT v Praze. Pracuje ve firmě Happy
Materials, která se zabývá konzultační činností v oblasti polymerních materiálů
a která vytváří databáze materiálů