폴리다이메틸실록세인

폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 디메틸폴리실록세인(dimethylpolysiloxane) 또는 다이메티콘, 디메티콘(dimethicone)은 실리콘 중합체의 일종으로 화장품부터 산업용 윤활 및 수동 주간 복사 냉각에 이르기까지 광범위하게 사용된다.

PDMS는 특히 특이한 유변학적 (또는 흐름) 특성으로 잘 알려져 있다. 투명하고, 일반적으로 화학적으로 비활성, 비독성, 그리고 비인화성이다. 여러 종류의 실리콘 오일 (중합체 실록세인) 중 하나이다. PDMS의 응용 분야는 콘택트 렌즈 및 의료 기기부터 탄성체에 이르기까지 다양하다. 또한 샴푸 (머리카락을 윤기 있고 미끄럽게 만들기 때문에), 식품 (소포제), 코크 (건축재료), 윤활유 및 내열 타일에도 존재한다.

구조
PDMS의 화학식은 이며, 여기서 n은 반복되는 단량체 단위의 수이다. 산업적 합성은 다음과 같은 순 반응에 의해 다이메틸다이클로로실레인과 물에서 시작할 수 있다:

 + (n+1) 

중합 반응은 염산을 발생시킨다. 의료 및 가정용 응용 분야를 위해 실레인 전구체의 염소 (원소) 원자를 아세테이트 그룹으로 대체하는 공정이 개발되었다. 이 경우, 중합은 HCl보다 화학적으로 덜 공격적인 아세트산을 생성한다. 부작용으로, 이 경우 경화 과정도 훨씬 느리다. 아세테이트는 실리콘 코크 (건축재료) 및 접착제와 같은 소비자 응용 분야에서 사용된다.

분지화 및 캡핑
의 가수분해는 실라놀 그룹()으로 종결되는 중합체를 생성한다. 이러한 반응성 중심은 일반적으로 트라이메틸실릴 클로라이드와의 반응에 의해 "캡핑"된다:

메틸트리클로로실레인과 같이 산 형성 그룹이 더 많고 메틸 그룹이 더 적은 실레인 전구체는 중합체 사슬에 가지 또는 가교 (화학)를 도입하는 데 사용될 수 있다. 이상적인 조건에서 이러한 화합물의 각 분자는 분지점이 된다. 이것은 단단한 규소 수지를 생산하는 데 사용될 수 있다. 유사한 방식으로, 세 개의 메틸 그룹을 가진 전구체는 분자량을 제한하는 데 사용될 수 있는데, 이는 각 분자가 하나의 반응성 부위만 가지므로 실록세인 사슬의 끝을 형성하기 때문이다.

낮은 다분산 지수와 높은 균질성을 가진 잘 정의된 PDMS는 헥사메틸시클로트리실록세인의 제어된 음이온 고리 열림 중합에 의해 생산된다. 이 방법을 사용하여 선형 블록 공중합체, 이종암 스타형 블록 공중합체 및 기타 많은 거대 분자 구조를 합성할 수 있다.

중합체는 n이 매우 낮을 때 얇고 부을 수 있는 액체에서 n이 매우 높을 때 두껍고 고무 같은 반고체에 이르기까지 다양한 점성으로 제조된다. PDMS 분자는 실록세인 결합으로 인해 상당히 유연한 중합체 백본 (또는 사슬)을 가지고 있으며, 이는 폴리우레탄에 고무성을 부여하는 데 사용되는 에터 결합과 유사하다. 이러한 유연한 사슬은 분자량이 높을 때 느슨하게 얽히게 되어 PDMS의 비정상적으로 높은 점탄성 수준을 초래한다.

기계적 특성
PDMS는 점탄성이 있어 흐름 시간이 길거나(또는 온도가 높을 때) 꿀처럼 점성 액체처럼 작용한다. 그러나 흐름 시간이 짧거나(또는 온도가 낮을 때) 고무처럼 탄성 고체처럼 작용한다. 점탄성은 비결정성 중합체에 흔히 나타나는 비선형 탄성의 한 형태이다. PDMS의 응력-변형 곡선의 하중 및 하중 제거는 일치하지 않는다. 오히려 응력의 양은 변형 정도에 따라 달라지며, 일반적인 규칙은 변형이 증가하면 강성이 증가한다는 것이다. 하중 자체가 제거되면 변형은 (즉시가 아니라) 서서히 회복된다. 이러한 시간 의존적 탄성 변형은 중합체의 긴 사슬에서 비롯된다. 그러나 위에서 설명한 과정은 가교결합이 존재할 때만 관련이 있다. 그렇지 않은 경우, 중합체 PDMS는 하중이 제거되어도 원래 상태로 돌아갈 수 없어 영구 변형이 발생한다. 그러나 PDMS는 거의 항상 가교결합제로 경화되기 때문에 영구 변형은 거의 볼 수 없다.

만약 PDMS를 밤새 표면에 놓아두면(긴 흐름 시간), 표면을 덮고 표면의 모든 결함에 맞춰 흐를 것이다. 그러나 같은 PDMS를 구형 틀에 붓고 경화시키면(짧은 흐름 시간), 고무공처럼 튀어 오를 것이다. PDMS의 기계적 특성 덕분에 이 중합체는 다양한 표면에 적합하다. 이러한 특성은 다양한 요인에 의해 영향을 받기 때문에 이 독특한 중합체는 비교적 쉽게 조절할 수 있다. 이를 통해 PDMS는 다양한 미세유체 및 미세전자기계 시스템에 쉽게 통합될 수 있는 좋은 기판이 될 수 있다. 특히, 기계적 특성의 결정은 PDMS가 경화되기 전에 결정될 수 있다. 경화되지 않은 버전은 사용자가 바람직한 탄성체를 얻기 위한 수많은 기회를 활용할 수 있게 한다. 일반적으로, 가교 경화된 PDMS 버전은 고체 형태의 고무와 유사하다. 이는 모든 방향으로 쉽게 늘어나고, 구부러지고, 압축될 수 있는 것으로 널리 알려져 있다. 응용 분야와 영역에 따라 사용자는 요구되는 바에 따라 특성을 조절할 수 있다.
섬네일|PDMS 내부에 삽입된 직물. 이 기술은 사용자가 얇은 PDMS 층을 기판으로 유지하면서 보강재 삽입을 통해 더 높은 강성을 얻을 수 있게 한다.
섬네일|실가드 184 PDMS에서 경화 온도와 영률 간의 선형 관계

전반적으로 PDMS는 낮은 탄성 계수를 가지고 있어 쉽게 변형될 수 있으며 고무와 같은 거동을 보인다. PDMS의 점탄성 특성은 동적 기계 분석을 사용하여 더 정확하게 측정할 수 있다. 이 방법은 넓은 온도 범위, 유속 및 변형에 걸쳐 재료의 유동 특성을 결정해야 한다. PDMS의 화학적 안정성 때문에 이 유형의 실험에서 교정 유체로 자주 사용된다.

PDMS의 층밀림 탄성률은 준비 조건에 따라 달라지며, 결과적으로 100 kPa에서 3 MPa 범위에서 극적으로 달라진다. 손실 탄젠트는 매우 낮다.

화학적 호환성
PDMS는 소수성이다. 플라스마 산화는 표면 화학을 변경하고 표면에 실라놀 (SiOH) 그룹을 추가하는 데 사용될 수 있다. 대기 플라스마와 아르곤 플라스마가 이 응용 분야에 적합하다. 이 처리는 PDMS 표면을 친수성으로 만들어 물이 젖을 수 있도록 한다. 산화된 표면은 트리클로로실레인과의 반응에 의해 추가로 기능화될 수 있다. 일정 시간이 지나면 주변 매질이 진공, 공기 또는 물인지 여부와 관계없이 표면의 소수성이 필연적으로 회복된다. 산화된 표면은 공기 중에서 약 30분 동안 안정하다. 또는 장기적인 친수성이 필요한 응용 분야의 경우 친수성 고분자 접목, 표면 나노 구조화 및 삽입된 계면활성제를 사용한 동적 표면 개질과 같은 기술이 유용할 수 있다.

고체 PDMS 샘플 (표면 산화 여부와 관계없이)은 수성 용매가 재료로 침투하여 팽창하는 것을 허용하지 않는다. 따라서 PDMS 구조는 재료 변형 없이 물 및 알코올 용매와 함께 사용될 수 있다. 그러나 대부분의 유기 용매는 재료로 확산되어 팽창을 일으킨다. 그럼에도 불구하고, 일부 유기 용매는 충분히 작은 팽창을 유발하여 PDMS 채널 내에서와 같이 PDMS와 함께 사용될 수 있다. 팽창 비율은 용매의 용해도 매개변수에 대략적으로 반비례한다. 다이아이소프로필아민은 PDMS를 가장 크게 팽창시킨다. 클로로포름, 에터, THF와 같은 용매는 재료를 크게 팽창시킨다. 아세톤, 1-프로판올, 피리딘과 같은 용매는 재료를 약간 팽창시킨다. 메탄올, 글리세롤 및 물과 같은 알코올 및 극성 용매는 재료를 눈에 띄게 팽창시키지 않는다.

응용
고급 표면
PDMS는 고유한 낮은 표면 에너지, 화학적 비활성, 유연성 덕분에 초소수성 코팅과 같은 고급 표면 제조에 널리 사용된다. 마이크로/나노 구조를 복제하고 계층적 질감을 지원하는 능력은 향상된 기능성을 가진 내구성 있는 발수성 표면을 만드는 데 이상적이다.

계면활성제 및 소포제
PDMS 유도체는 일반적인 계면활성제이며 소포제의 구성 요소이다. 변형된 형태의 PDMS는 제초제 침투제로 사용되며, 와 같은 발수 코팅의 핵심 성분이다.

유압유 및 관련 응용 분야
다이메티콘은 자동차 점성 제한 슬립 차동 장치 및 커플링에 사용되는 활성 실리콘 유체에 사용된다.

주간 복사 냉각
PDMS는 높은 태양 반사율과 열 방사율을 가진 광대역 방출체로서 수동 주간 복사 냉각에 사용되는 일반적인 표면 재료이다. 저비용 중합체로서의 잠재적 확장성 때문에 많은 테스트된 표면이 PDMS를 사용한다. 주간 복사 냉각 표면으로서 PDMS는 태양 전지 효율을 향상시키기 위해 테스트되기도 했다.

소프트 리소그래피

PDMS는 소프트 리소그래피 절차에서 스탬프 레진으로 일반적으로 사용되며, 이는 미세유체공학 칩에서 유체 전달에 사용되는 가장 일반적인 재료 중 하나이다. 소프트 리소그래피 공정은 탄성 스탬프를 만드는 것으로 구성되며, 이는 유리, 실리콘 또는 폴리머 표면에 몇 나노미터 크기의 패턴을 전사할 수 있게 한다. 이러한 유형의 기술로 광학 통신 또는 생의학 연구 분야에서 사용될 수 있는 장치를 생산할 수 있다. 스탬프는 포토리소그래피 또는 전자빔 리소그래피의 일반적인 기술로 생산된다. 해상도는 사용된 마스크에 따라 달라지며 6 nm에 도달할 수 있다.

미세유체공학 분야에서 PDMS의 인기는 우수한 기계적 특성 때문이다. 또한 다른 재료에 비해 우수한 광학 특성을 가지고 있어 형광 영상 중 최소한의 배경 및 자가형광을 허용한다.

생의학 (또는 생물학적) 미세전자기계 시스템(bio-MEMS)에서 소프트 리소그래피는 유기 및 무기 맥락 모두에서 미세유체공학에 광범위하게 사용된다. 실리콘 웨이퍼는 채널을 설계하는 데 사용되며, PDMS는 이러한 웨이퍼 위에 부어 경화된다. 제거될 때, 가장 작은 세부 사항까지 PDMS에 각인된다. 이 특정 PDMS 블록으로 플라스마 식각 기술을 사용하여 친수성 표면 개질이 수행된다. 플라스마 처리는 표면 실리콘-산소 결합을 파괴하며, 플라스마 처리된 유리 슬라이드는 일반적으로 활성화된 PDMS 면 (플라스마 처리되고 이제 친수성 면에 각인이 있는)에 놓인다. 활성화가 사라지고 결합이 다시 형성되기 시작하면, 유리 표면 원자와 PDMS 표면 원자 사이에 실리콘-산소 결합이 형성되고, 슬라이드는 PDMS에 영구적으로 밀봉되어 방수 채널을 생성한다. 이러한 장치로 연구자들은 다양한 기능을 위한 다양한 표면 화학 기술을 활용하여 신속한 병렬 테스트를 위한 독특한 랩온어칩 장치를 만들 수 있다.
PDMS는 네트워크로 가교 (화학)될 수 있으며, 중합체 네트워크의 탄성을 연구하는 데 일반적으로 사용되는 시스템이다. PDMS는 표면 전하 리소그래피에 의해 직접 패턴화될 수 있다.

PDMS는 합성 도마뱀붙이 접착력 건식 접착제 재료를 만드는 데 사용되고 있으며, 현재까지는 실험실 테스트용으로만 사용되고 있다.

일부 플렉서블 전자회로 연구자들은 PDMS를 저렴한 비용, 쉬운 제조, 유연성 및 광학 투명성 때문에 사용한다. 그러나 다양한 파장에서의 형광 이미징에서 PDMS는 가장 적은 자가형광을 보이며 보로플로트 유리와 유사하다.

스테레오 리소그래피

스테레오 리소그래피(SLA) 3D 프린팅에서, 빛은 광경화성 수지에 투사되어 선택적으로 경화시킨다. 일부 SLA 프린터는 수지 탱크 바닥에서 경화되므로 각 인쇄층에 신선한 미경화 수지 필름이 공급되도록 성장하는 모델을 베이스에서 벗겨내야 한다. 탱크 바닥의 PDMS 층은 산소를 흡수하여 이 과정을 돕는다. 수지 옆에 산소가 있으면 수지가 PDMS에 달라붙는 것을 방지하고, 광학적으로 투명한 PDMS는 투사된 이미지가 왜곡 없이 수지를 통과할 수 있도록 한다.

의약품 및 화장품
활성화된 다이메티콘(폴리다이메틸실록세인과 이산화 규소의 혼합물, 때로는 시메티콘이라고도 불림)은 일반의약품에서 소포제 및 구풍제로 흔히 사용된다. PDMS는 또한 일반적인 오일보다 가볍고 통기성이 좋은 보습제 역할을 한다.

실리콘 유방 보형물은 PDMS 엘라스토머 셸로 만들어지며, 여기에 흄드 비정질 실리카가 첨가되어 PDMS 겔 또는 생리식염수를 감싸고 있다.

피부
PDMS는 화장품 및 소비재 산업에서도 다양하게 사용된다. 예를 들어, 다이메티콘은 피부 보습 로션에 널리 사용되며, "피부 보호"를 목적으로 하는 활성 성분으로 등재되어 있다. 일부 화장품 제형은 다이메티콘 및 관련 실록세인 중합체를 최대 15% 농도로 사용한다. 미국 화장품 원료 검토위원회(CIR) 전문가 패널은 다이메티콘 및 관련 중합체가 "화장품 제형에 사용하기에 안전하다"고 결론 내렸다.

머리카락
아모다이메티콘과 같은 PDMS 화합물은 작은 입자로 제형화되어 물 또는 알코올에 용해되거나 계면활성제 역할을 할 때 효과적인 컨디셔너이다 (특히 손상된 머리카락의 경우) 일반적인 다이메티콘 및 다이메티콘 코폴리올보다 머리카락에 더 컨디셔닝 효과가 있다.

콘택트 렌즈
PDMS의 제안된 용도는 콘택트 렌즈 세척이다. 낮은 탄성 계수와 소수성의 물리적 특성은 다목적 용액 및 손가락 문지름보다 효과적으로 콘택트 렌즈 표면의 미세 및 나노 오염 물질을 제거하는 데 사용되었다. 관련 연구자들은 이 기술을 PoPPR(polymer on polymer pollution removal)이라고 부르며 렌즈에 부착된 나노 플라스틱을 제거하는 데 매우 효과적이라고 언급했다. 콘택트 렌즈 제조에 PDMS를 사용하는 것은 특허를 받았지만 (이후 포기됨).

구충제로서
PDMS는 사람의 이를 치료하는 데 효과적이다. 이는 질식 (또는 중독) 때문이 아니라, 수분 배출을 막아 곤충이 장기적인 움직임 제한이나 장과 같은 내부 기관의 교란으로 인한 생리학적 스트레스로 죽게 하는 것으로 여겨진다.

다이메티콘은 고양이에게 뿌리는 벼룩 방지 제형의 활성 성분으로, 널리 사용되는 독성이 더 강한 피리프록시펜/퍼메트린 스프레이와 동등한 효과를 나타내는 것으로 밝혀졌다. 기생충은 이 물질에 갇혀 움직일 수 없게 되어 성체 벼룩이 3주 이상 나타나는 것을 억제한다.

식품
PDMS는 많은 식용유에 (소포제로) 첨가되어 요리 과정 중 기름이 튀는 것을 방지한다. 그 결과 PDMS는 맥도날드 치킨 맥너겟, 감자튀김, 해시브라운, 밀크셰이크 및 스무디와 같은 많은 패스트푸드 품목에서 미량 발견될 수 있다. 그리고 웬디스 감자튀김에서도 발견된다.

유럽 식품 첨가물 규정에 따르면, E900으로 등재되어 있다.

콘돔 윤활제
PDMS는 콘돔 윤활제로 널리 사용된다.

가정용 및 틈새 용도
많은 사람들이 PDMS가 실리퍼티의 중요한 구성 요소이기 때문에 간접적으로 친숙하며, PDMS는 실리퍼티에 특징적인 점탄성 특성을 부여한다. PDMS가 사용되는 또 다른 장난감은 키네틱 샌드이다. 고무 같고 식초 냄새가 나는 실리콘 코크, 접착제, 수족관 실란트도 잘 알려져 있다. PDMS는 또한 실리콘 그리스 및 기타 실리콘 기반 윤활유, 그리고 소포제, 이형제, 댐핑 유체, 열전달 유체, 광택제, 화장품, 헤어 컨디셔너, 빛나는 라텍스 의상 및 기타 응용 분야의 구성 요소로 사용된다.

이는 식품의 headspace (용존 가스 분석) 분석을 위한 흡착제로 사용될 수 있다.

안전 및 환경 고려사항
울만 산업 화학 백과사전에 따르면, 실록세인에 대해 "환경 유기체에 대한 현저한 유해 영향"은 관찰되지 않았다. PDMS는 생분해되지 않지만, 폐수 처리 시설에 흡수된다. 그 분해는 다양한 점토에 의해 촉매된다. 2020년 유럽 식품안전청의 식품 첨가물 용도 PDMS(E 900) 재평가 결과, 보고된 사용 사례에서 식품 내 PDMS의 안전성 문제는 발견되지 않았지만, 제조 과정에서 남은 잠재적으로 유독한 시클로폴리실록세인에 대한 최대 한도 설정을 권고했다.

 같이 보기 
 (3-아미노프로필)트라이에톡시실레인
 시클로메티콘
 폴리메틸하이드로실록세인 (PMHS)
 실리콘고무
 실리콘
 실록세인, 시클로실록세인 및 기타 유기규소 화합물

 각주 

 외부 링크 
 아모다이메티콘 아모다이메티콘 구조 및 특성

분류:식품 첨가물
분류:실리콘
분류:생체 재료
분류:화장품 화학물질
분류:E 번호 첨가제