Polidimetilsiloksan

Polidimetilsiloksan (disingkat PDMS), juga dikenal sebagai dimetilpolisiloksan atau dimetikon, adalah polimer silikona dengan berbagai macam kegunaan, mulai dari kosmetik hingga pelumasan industri dan pendinginan radiasi pasif di siang hari.

PDMS dikenal khususnya karena sifat reologi (atau aliran) yang tidak biasa. Secara optik PDMS bening dan secara umum inert, tidak beracun, dan tidak mudah terbakar. PDMS merupakan salah satu dari beberapa jenis minyak silikon (siloksan terpolimerisasi). Aplikasi PDMS berkisar dari lensa kontak dan alat kesehatan hingga elastomer; PDMS juga terdapat dalam sampo (karena membuat rambut berkilau dan licin), makanan (agen pengawabusa), pakal, pelumas, dan ubin tahan panas.

Struktur
Rumus kimia PDMS adalah , di mana n adalah jumlah unit monomer  yang berulang. Sintesis industri dapat dimulai dari dimetildiklorosilana dan air melalui reaksi bersih berikut:
   + (n+1) 

Reaksi polimerisasi menghasilkan asam klorida. Untuk kegunaan medis dan domestik, dikembangkan proses di mana atom klorin dalam prekursor silana diganti dengan gugus asetat. Dalam kasus ini, polimerisasi menghasilkan asam asetat, yang secara kimia kurang agresif dibandingkan HCl. Sebagai efek samping, proses pengawetan juga jauh lebih lambat dalam kasus ini. Asetat digunakan dalam aplikasi konsumen, seperti pakal silikon dan perekat.

Percabangan dan penutupan
Hidrolisis  menghasilkan polimer yang diakhiri dengan gugus silanol (). Pusat-pusat reaktif ini biasanya "ditutup" oleh reaksi dengan trimetilsilil klorida:

Prekursor silana dengan lebih banyak gugus pembentuk asam dan lebih sedikit gugus metil, seperti metiltriklorosilana, dapat digunakan untuk memperkenalkan cabang atau ikatan silang dalam rantai polimer. Dalam kondisi ideal, setiap molekul senyawa tersebut menjadi titik cabang. Ini dapat digunakan untuk menghasilkan resin silikon keras. Dengan cara yang sama, prekursor dengan tiga gugus metil dapat digunakan untuk membatasi berat molekul, karena setiap molekul tersebut hanya memiliki satu situs reaktif dan membentuk ujung rantai siloksana.

PDMS yang terdefinisi dengan baik dengan indeks polidispersitas rendah dan homogenitas tinggi diproduksi oleh polimerisasi pembukaan cincin anionik terkendali dari heksametilsiklotrisiloksan. Dengan menggunakan metodologi ini, dimungkinkan untuk mensintesis kopolimer blok linier, kopolimer blok berbentuk bintang heteroarm, dan banyak arsitektur makromolekul lainnya.

Polimer diproduksi dalam berbagai kekentalan, dari cairan yang dapat dituang tipis (ketika n sangat rendah), hingga semipadat karet tebal (ketika n sangat tinggi). Molekul PDMS memiliki tulang punggung polimer (atau rantai) yang cukup fleksibel karena hubungan siloksan mereka, yang analog dengan hubungan eter yang digunakan untuk memberikan kekenyalan pada poliuretan. Rantai fleksibel tersebut menjadi terjerat longgar ketika berat molekul tinggi, yang menghasilkan tingkat viskoelastisitas PDMS yang luar biasa tinggi.

Sifat mekanis
PDMS bersifat viskoelastis, yang berarti bahwa pada waktu alir yang panjang (atau suhu tinggi), ia bertindak seperti cairan kental, mirip dengan madu. Namun, pada waktu alir yang pendek (atau suhu rendah), ia bertindak seperti padatan elastis, mirip dengan karet. Viskoelastisitas adalah bentuk elastisitas nonlinier yang umum di antara polimer nonkristalin. Pembebanan dan pembongkaran kurva tegangan-regangan untuk PDMS tidak bersamaan; sebaliknya, jumlah tegangan akan bervariasi berdasarkan tingkat regangan, dan aturan umumnya adalah bahwa peningkatan regangan akan menghasilkan kekakuan yang lebih besar. Ketika beban itu sendiri dihilangkan, regangan dipulihkan secara perlahan (bukan seketika). Deformasi elastis yang bergantung waktu ini dihasilkan dari rantai panjang polimer. Namun, proses yang dijelaskan di atas hanya relevan ketika ikatan silang hadir; ketika tidak ada, PDMS polimer tidak dapat bergeser kembali ke keadaan semula bahkan ketika beban dihilangkan, yang mengakibatkan deformasi permanen.  Namun, deformasi permanen jarang terlihat pada PDMS, karena hampir selalu diawetkan dengan agen pengikat silang.

Jika beberapa PDMS dibiarkan di permukaan semalaman (waktu alir lama), PDMS akan mengalir untuk menutupi permukaan dan membentuk ketidaksempurnaan permukaan apa pun. Namun, jika PDMS yang sama dituangkan ke dalam cetakan bulat dan dibiarkan mengering (waktu alir pendek), PDMS akan memantul seperti bola karet. Sifat mekanis PDMS memungkinkan polimer ini untuk menyesuaikan diri dengan berbagai macam permukaan. Karena sifat-sifat ini dipengaruhi oleh berbagai faktor, polimer unik ini relatif mudah untuk disetel. Hal ini memungkinkan PDMS menjadi substrat yang baik yang dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam berbagai sistem mikrofluida dan mikroelektromekanis. Secara khusus, penentuan sifat mekanis dapat diputuskan sebelum PDMS diawetkan; versi yang belum diawetkan memungkinkan pengguna untuk memanfaatkan berbagai peluang untuk mencapai elastomer yang diinginkan. Secara umum, versi PDMS yang diawetkan dengan ikatan silang menyerupai karet dalam bentuk yang dipadatkan. Secara luas diketahui mudah diregangkan, ditekuk, dikompresi ke segala arah. Bergantung pada aplikasi dan bidang, pengguna dapat menyetel properti berdasarkan apa yang diminta.
Secara keseluruhan PDMS memiliki modulus elastisitas rendah yang memungkinkannya mudah berubah bentuk dan menghasilkan perilaku seperti karet. Sifat viskoelastis PDMS dapat diukur dengan lebih tepat menggunakan analisis mekanis dinamis. Metode ini memerlukan penentuan karakteristik aliran material pada berbagai suhu, laju aliran, dan deformasi. Karena stabilitas kimia PDMS, PDMS sering digunakan sebagai cairan kalibrasi untuk jenis eksperimen ini.

Modulus geser PDMS bervariasi dengan kondisi persiapan, dan akibatnya sangat bervariasi dalam kisaran 100 kPa hingga 3 MPa. Tangen kehilangan sangat rendah (tan δ ≪ 0,001).

Kompatibilitas kimia
PDMS bersifat hidrofobik. Oksidasi plasma dapat digunakan untuk mengubah kimia permukaan, dengan menambahkan gugus silanol (SiOH) ke permukaan. Plasma udara atmosfer dan plasma argon akan berfungsi untuk aplikasi ini. Perlakuan ini menjadikan permukaan PDMS bersifat hidrofilik, sehingga air dapat membasahinya. Permukaan yang teroksidasi dapat difungsikan lebih lanjut melalui reaksi dengan triklorosilana. Setelah jangka waktu tertentu, pemulihan sifat hidrofobik permukaan tidak dapat dihindari, terlepas dari apakah media di sekitarnya berupa vakum, udara, atau air; permukaan yang teroksidasi stabil di udara selama sekitar 30 menit. Sebagai alternatif, untuk aplikasi yang memerlukan sifat hidrofilisitas jangka panjang, teknik seperti pencangkokan polimer hidrofilik, penataan nano permukaan, dan modifikasi permukaan dinamis dengan surfaktan tertanam dapat digunakan.

Sampel PDMS padat (baik yang teroksidasi permukaan atau tidak) tidak akan memungkinkan pelarut berair untuk menyusup dan membengkakkan material. Dengan demikian, struktur PDMS dapat digunakan dalam kombinasi dengan pelarut air dan alkohol tanpa deformasi material. Namun, sebagian besar pelarut organik akan berdifusi ke dalam material dan menyebabkannya membengkak. Meskipun demikian, beberapa pelarut organik menyebabkan pembengkakan yang cukup kecil sehingga dapat digunakan dengan PDMS, misalnya dalam saluran perangkat mikrofluida PDMS. Rasio pembengkakan secara kasar berbanding terbalik dengan parameter kelarutan pelarut. Diisopropilamina membengkakkan PDMS hingga tingkat terbesar; pelarut seperti kloroform, eter, dan THF membengkakkan material hingga tingkat yang besar. Pelarut seperti aseton, 1-propanol, dan piridina membengkakkan material hingga tingkat yang kecil. Alkohol dan pelarut polar seperti metanol, gliserol, dan air tidak membengkakkan material secara berarti.

Kegunaan
Surfaktan dan agen antibusa
Turunan PDMS merupakan surfaktan umum dan merupakan komponen penghilang busa. PDMS dalam bentuk yang dimodifikasi digunakan sebagai penetran herbisida dan merupakan bahan penting dalam pelapis antiair.

Fluida hidrolik dan aplikasi terkait
Dimetikon digunakan dalam fluida silikona aktif dalam diferensial dan kopling selip terbatas kental otomotif.

Pendinginan radiatif siang hari
PDMS merupakan material permukaan umum yang digunakan dalam pendinginan radiatif siang hari pasif sebagai pemancar pita lebar yang memiliki reflektivitas surya dan emisivitas panas yang tinggi. Banyak permukaan yang diuji menggunakan PDMS karena skalabilitas potensialnya sebagai polimer berbiaya rendah. Sebagai permukaan pendingin radiatif siang hari, PDMS juga telah diuji untuk meningkatkan efisiensi sel surya.

Litografi lunak
PDMS umumnya digunakan sebagai resin stempel dalam prosedur litografi lunak, menjadikannya salah satu bahan yang paling umum digunakan untuk pengiriman aliran dalam chip mikrofluida. Proses litografi lunak terdiri dari pembuatan stempel elastis, yang memungkinkan pemindahan pola berukuran hanya beberapa nanometer ke permukaan kaca, silikon, atau polimer. Dengan jenis teknik ini, dimungkinkan untuk memproduksi perangkat yang dapat digunakan di bidang telekomunikasi optik atau penelitian biomedis. Stempel diproduksi dari teknik normal fotolitografi atau litografi berkas elektron. Resolusi bergantung pada masker yang digunakan dan dapat mencapai 6 nm.

Popularitas PDMS di bidang mikrofluida disebabkan oleh sifat mekanisnya yang sangat baik. Selain itu, dibandingkan dengan bahan lain, ia memiliki sifat optik yang unggul, yang memungkinkan latar belakang dan autofluoresensi minimal selama pencitraan fluoresensi.

Dalam sistem mikroelektromekanik biomedis (atau biologis, bio-MEMS), litografi lunak digunakan secara luas untuk mikrofluida dalam konteks organik dan anorganik. "Wafer" silikon digunakan untuk mendesain saluran, dan PDMS kemudian dituangkan di atas wafer ini dan dibiarkan mengeras. Ketika dihilangkan, bahkan detail terkecil pun tertinggal dalam PDMS. Dengan blok PDMS khusus ini, modifikasi permukaan hidrofilik dilakukan menggunakan teknik plasma etching. Perlakuan plasma mengganggu ikatan silikon-oksigen permukaan, dan bilah kaca yang diolah dengan plasma biasanya ditempatkan pada sisi PDMS yang diaktifkan (sisi yang diolah dengan plasma, sekarang hidrofilik dengan cetakan). Setelah aktivasi hilang dan ikatan mulai terbentuk kembali, ikatan silikon-oksigen terbentuk antara atom permukaan kaca dan atom permukaan PDMS, dan bilah menjadi tertutup secara permanen pada PDMS, sehingga menciptakan saluran kedap air. Dengan perangkat ini, peneliti dapat memanfaatkan berbagai teknik kimia permukaan untuk fungsi yang berbeda, menciptakan perangkat lab-on-a-chip yang unik untuk pengujian paralel yang cepat. PDMS dapat langsung dipolakan dengan litografi muatan permukaan.

PDMS digunakan dalam pembuatan bahan perekat kering adhesi "cecak" sintetis, hingga saat ini hanya dalam jumlah uji laboratorium.

Beberapa peneliti elektronik fleksibel menggunakan PDMS karena biayanya yang rendah, fabrikasi yang mudah, fleksibilitas, dan transparansi optik. Namun, untuk pencitraan fluoresensi pada panjang gelombang yang berbeda, PDMS menunjukkan autofluoresensi paling sedikit dan sebanding dengan kaca BoroFloat.

Litografi stereo
Dalam pencetakan 3D litografi stereo (SLA), cahaya diproyeksikan ke resin yang diawetkan dengan foto untuk diawetkan secara selektif. Beberapa jenis printer SLA diawetkan dari dasar tangki resin dan karenanya mengharuskan model yang sedang tumbuh dikupas dari alasnya agar setiap lapisan yang dicetak dapat disuplai dengan lapisan film baru dari resin yang belum diawetkan. Lapisan PDMS di dasar tangki membantu proses ini dengan menyerap oksigen: keberadaan oksigen yang berdekatan dengan resin mencegahnya menempel pada PDMS, dan PDMS yang bening secara optik memungkinkan gambar yang diproyeksikan melewati resin tanpa distorsi.

Obat-obatan dan kosmetik
Dimetikon aktif, campuran polidimetilsiloksan dan silikon dioksida (kadang-kadang disebut "simetikon"), sering digunakan dalam obat-obatan yang dijual bebas sebagai agen antibusa dan karminatif. PDMS juga berfungsi sebagai pelembap yang lebih ringan dan lebih mudah bernapas daripada minyak biasa.

Implan payudara silikon terbuat dari cangkang elastomer PDMS, yang ditambahkan silika amorf berasap, membungkus gel PDMS atau larutan garam fisiologi.

Kulit
PDMS juga digunakan secara beragam dalam industri kosmetik dan produk konsumen. Misalnya, dimetikon digunakan secara luas dalam losion pelembap kulit yang tercantum sebagai bahan aktif yang tujuannya adalah "melindungi kulit." Beberapa formulasi kosmetik menggunakan dimetikon dan polimer siloksan terkait dalam konsentrasi penggunaan hingga 15%. Panel Pakar Cosmetic Ingredient Review (CIR) telah menyimpulkan bahwa dimetikon dan polimer terkait "aman jika digunakan dalam formulasi kosmetik."

Rambut
Senyawa PDMS seperti amodimetikon, merupakan kondisioner yang efektif jika diformulasikan terdiri dari partikel-partikel kecil dan dapat larut dalam air atau alkohol/bertindak sebagai surfaktan (terutama untuk rambut rusak), dan bahkan lebih mengondisikan rambut daripada dimetikon umum dan/atau kopoliol dimetikon.

Lensa kontak
Penggunaan PDMS yang diusulkan adalah pembersihan lensa kontak. Sifat fisiknya berupa modulus elastisitas rendah dan sifat hidrofobisitas telah digunakan untuk membersihkan polutan mikro dan nano dari permukaan lensa kontak secara lebih efektif daripada larutan serbaguna dan gosokan jari;  Para peneliti yang terlibat menyebut teknik ini PoPPR (polymer on polymer contamination removal) dan mencatat bahwa teknik ini sangat efektif dalam menghilangkan nanoplastik yang menempel pada lensa. Penggunaan PDMS dalam pembuatan lensa kontak telah dipatenkan (kemudian ditinggalkan).

Sebagai antiparasit
PDMS efektif untuk mengobati kutu pada manusia. Hal ini diduga bukan karena mati lemas (atau keracunan), tetapi karena menghalangi ekskresi air, yang menyebabkan serangga mati karena stres fisiologis baik melalui imobilisasi yang berkepanjangan atau gangguan organ dalam seperti usus.

Dimetikon adalah bahan aktif dalam sediaan antipinjal yang disemprotkan pada kucing, yang ditemukan sama efektifnya dengan semprotan piriproksifen/permetrin yang lebih beracun dan banyak digunakan. Parasit terperangkap dan tidak dapat bergerak dalam zat tersebut, sehingga menghambat kemunculan kutu dewasa selama lebih dari tiga minggu.

Makanan
PDMS ditambahkan ke banyak minyak goreng (sebagai agen antibusa) untuk mencegah percikan minyak selama proses memasak. Akibatnya, PDMS dapat ditemukan dalam jumlah sedikit di banyak makanan cepat saji seperti Chicken McNuggets McDonald's, kentang goreng, hash browns, susu kocok, dan smoothie, serta kentang goreng Wendy's.

Berdasarkan peraturan aditif makanan Eropa, zat ini terdaftar sebagai E900.

Pelumas kondom
PDMS banyak digunakan sebagai pelumas kondom.

Penggunaan domestik dan khusus
Banyak orang yang secara tidak langsung mengenal PDMS karena merupakan komponen penting dalam Silly Putty, yang mana PDMS memberikan sifat viskoelastisnya yang khas. Mainan lain yang menggunakan PDMS adalah Pasir Kinetik. Dempul silikon, perekat, dan sealant akuarium yang kenyal dan berbau cuka juga terkenal. PDMS juga digunakan sebagai komponen dalam minyak silikon dan pelumas berbasis silikon lainnya, serta dalam agen penghilang busa, agen pelepas jamur, cairan peredam, cairan pemindah panas, poles, kosmetik, kondisioner rambut, lateks yang mengilap, dan aplikasi lainnya.

Senyawa ini dapat digunakan sebagai sorben untuk analisis ruang kepala (analisis gas terlarut) makanan.

Pertimbangan keselamatan dan lingkungan
Menurut Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, tidak ada "dampak berbahaya yang nyata pada organisme di lingkungan" yang telah dicatat untuk siloksan. PDMS tidak dapat diurai secara biologis, tetapi diserap dalam fasilitas pengolahan air limbah. Degradasinya dikatalisis oleh berbagai tanah liat.

Referensi

Pranala luar
Amodimethicone Amodimethicone structure and properties

Kategori:Biomaterial
Kategori:Bahan kimia kosmetik
Kategori:Bahan tambahan makanan
Kategori:Silikona
Kategori:Siloksana
Kategori:Bahan tambahan pangan bernomor Uni Eropa