断熱力+1！電動「赤ずきん」に使われているシリコンゴムの材質は何ですか？

最近、国家電網朝陽電力供給公司はシリコンゴムを架空送電線の絶縁カバーとして使用し、送電線の絶縁レベルと安全性を効果的に向上させ、皆から「赤ずきん」という愛称で呼ばれています。実は、シリコンゴムはシリコン素材の一種です。シリコーン素材は多くの分野で使用されてきました。今日は彼らについて知りましょう！

図 1 絶縁体保護カバーは「赤ずきん」の愛称で親しまれており、シリコンゴムで作られています (出典: ウェブページのスクリーンショット)

01 シリコン素材とは？

有機シリコン材料は、有機シリコン化合物とも呼ばれ、シリコン-炭素結合 (Si-C)と、シリコン原子に直接結合した少なくとも 1 つの有機基を含む化合物を指します。有機基が酸素、硫黄、窒素などを介してケイ素原子に結合している化合物も、通常は有機ケイ素化合物と見なされます。

有機ケイ素化合物は今のところ自然界では発見されていません。化学者は、石英砂に含まれるシリコンと有機高分子を組み合わせて、新しい「ハイブリッド」材料を作り出します。これを「有機シリコン」と呼びます。有機ケイ素化合物には、ポリシロキサン、ポリシラン、ポリカルボシラン、ポリニトロシランなど、多くの種類があります。有機ポリシロキサンは最も重要な種類であり、有機ケイ素材料の総使用量の 90% 以上を占めています。現在、中国のポリシロキサン生産能力は世界の生産量の67％を占めており、世界最大のシリコーン原料の生産国、消費国、純輸出国となっている[1]。

現在、シリコーン製品の種類は2,000種類以上あり、よく使われるものはシリコーンオイル、シリコーンゴム、シリコーン樹脂などがあり、その種類は1,000種類以上を占めています。以下は、最も一般的に使用されている 3 つのオルガノポリシロキサン製品の詳細な紹介です。

1. シリコーンオイル：室温で液体のままの直鎖ポリシロキサン製品。一般的にはメチルシリコーンオイルと変性シリコーンオイルの2種類に分けられます。

♦シリコーンオイルは絶縁特性があるため、電気産業において重要な材料であり、絶縁油、ケーブル油、変圧器油などの製造に使用されます。

♦ゴムやプラスチックの加工助剤として使用して、加工性能と製品品質を向上させることができます。

♦化粧品の重要な成分として、潤滑性と肌浸透性に優れています。

♦シリコーンオイルは熱安定性に優れているため、当研究室ではオイルバス用のオイルとしてジメチルシリコーンオイルを選択しています。

2. シリコーンゴム：線状ポリシロキサンと強化充填剤を混合し、加熱加圧条件下で加硫して製造される合成エラストマー。シリコーンゴム自体は透明で、表面着色や混合着色により様々な色のシリコーンゴム製品が得られます。

♦自動車産業：自動車の点火ワイヤー、スパークプラグ保護カバー、ヒーターおよびラジエーターホース、バッテリーコネクタなど。

♦電子・電気産業：高電圧保護カバー、ケーブル機器、シリコンゴム製絶縁体など[2]

♦航空宇宙：航空機のシーリングスイッチや酸素マスクなど。また、耐火性シリコーンゴムはロケット燃料バルブや電源ケーブルなどにも使用されています。

♦医療分野：遮音耳栓、コンタクトレンズ、人工血管・臓器など[3]

図2 中国が独自に開発した完全磁気浮上型「人工心臓」（出典：CCTVニュースビデオスクリーンショット）

3. シリコーン樹脂: 高度に架橋されたポリシロキサンのネットワークを含む熱硬化性プラスチック。

♦電子パッケージング、外壁コーティングなどの分野で、耐腐食性、耐高温性、疎水性を備えたコーティングを調製するために使用できます。

♦絶縁性があるため、電線、モーター、変圧器などの分野で使用できます。

♦シリコーンプラスチック、半導体パッケージングプラスチック、発泡プラスチックの製造に使用されます。包装、パイプなどの分野でよく使用されます。

図3 大型船の外層に防錆シリコン樹脂コーティングが施されている（出典：新華社通信）

02 シリコーン素材の誕生と発展

18 世紀初頭、フランスの科学者が初めて有機ケイ素材料であるテトラエチルシラン (SiEt4) を合成しました。その後、英国ノッティンガム大学の科学者であるキッピング氏は、有機シリコン材料に関する体系的な研究を行った。彼はグリニャール反応を利用して有機クロロシランを合成しただけでなく、有機ケイ素化合物の命名規則を確立し、将来の科学者が有機ケイ素材料を研究するための基礎を築きました[4]。

第二次世界大戦中、ハイドやパトノードなどの学者は、耐湿性と耐熱性があり、高温高速電気機器や航空機の点火システムに使用できるシリコン絶縁グリースを開発しました。それ以来、前述のジメチルシリコーンオイルやシリコーンコーティングなど、さまざまな初期のシリコーン材料が登場しました。

1940年、学者ロショウは、高温でシリコンとクロロカーボンを直接反応させることによってヒドロカルビルクロロシランを合成する方法を発明し、それによってそれまでのグリニャール反応の欠点が大幅に改善されました。ヒドロカルビルクロロシランの直接合成は、有機ケイ素化学の歴史における画期的な成果の一つと考えられています。その後、この発明を基に、史上初の流動床式メチルクロロシラン合成装置が開発され、有機ケイ素の工業生産の基礎が築かれました。

それ以来、あらゆる規模のシリコン生産工場が世界中に出現しました。 21 世紀初頭までに、いくつかの大規模な多国籍企業が設立され、開発されたシリコーン製品の種類は数千に達しました。

図4 シリコーン材料の海外展開史における重要な節目（出典：筆者作成）

03 逆転勝利！私の国におけるシリコーンの発展

新中国建国当初、シリコン素材は世界ではまだ新興産業でした。我が国の多くの科学者が自らの力と自立心を頼りに、シリコーン材料の研究開発の道を歩み始めました。彼らはまず文献と資料の準備から始めました。重工業省北京化学研究所は、エンジニアの楊大海氏をチームリーダーとするシリコーン研究グループを設立した。彼らは海外文献の収集と整理に尽力し、世界の最先端のシリコン分野の研究を行い、その後、組織から与えられた任務に専念しました。

研究チームはまず、沸点が高い塩化エチルを使ってエチルクロロシランの合成を試みることにしました。多大な努力の末、1954年にエチルクロロシランの合成に成功し、有機ケイ素探索実験は成功しました。同時に、当時のチームメンバーの一人である陳延漢同志が、わが国で最初の有機ケイ素の中国語訳『有機ケイ素化合物』[5]を編集し出版しました。 (化学元素シリコンの古い名前)

図 5: シリコン有機化合物の本の画像 (出典: インターネットからのスクリーンショット)

1955年、楊東林同志の指導の下、瀋陽総合化学研究所（前述の北京化学研究所から移転・統合）は、わが国初のシリコン製品、500℃の高温に耐えられるコーティングを開発しました。その後すぐに、中国初のシリコーン製造工場であるWorkshop 208が設立され、500°Cの耐高温コーティングを製造し、航空機メーカーに大量に供給しました。

国内の電気、軍事、航空などの分野におけるシリコーン材料の需要を分析した結果、合成シリコーンモノマーの開発が最優先事項となりました。楊大海主任技師が有能な人材を率いて、合成シリコーン油とシリコーンゴムの基本モノマーとしてメチルクロロシランを選択し、208工場にメチルクロロシラン合成部門を設立しました。

1958年、航空機用潤滑油とグリースが開発されました（原料は超高純度ジメチルジクロロシラン）。 1997年にメチルクロロシランの国内生産量は1万トンを超えました。 21世紀初頭からメチルクロロシランの生産量は着実に増加しており、現在ではシリコーンの生産量は世界第1位となっている[6]。

数世代にわたる努力と闘争を経て、私たちは中国のシリコン市場が多国籍企業に支配され、障壁が形成される状況を打破し、自主的な革新と知的財産権を獲得し、コア技術を習得し、中国人民が遅れをとることを望まず、中国のシリコン産業を築く能力と決意を持っていることを十分に証明しました。

図6 中国におけるシリコーン材料の発展（出典：著者作成）

04新シリコーン材料の最先端研究と今後の応用展望

1987年に我が国は現在の中国語雑誌「有機シリコーン材料」を創刊しました。この雑誌は主に国内外のシリコーン製品の新技術、新プロセス、新製品、新用途について報告し、中国国内外のシリコーン材料市場、会議、情報などに関する情報を提供しています。現在、シリコン産業は活況を呈しています。カーボンニュートラルとカーボンピークを背景に、新エネルギー車などの製品に対する需要の大幅な増加は、シリコーンの需要の成長を直接的に促進するでしょう。関係部門もシリコーン材料の開発を奨励し支援するための政策を発表している[7]。シリコーン材料は、特に電子機器、バイオメディカル、光電子材料、3D プリンティングの分野で幅広い応用が期待されています。徹底的な研究と探究により、シリコーン材料は材料科学と工学の分野でさらに優れた役割を果たすようになるでしょう。

参考文献:

[1] Hu Juan、Xiao Nan、Tan Yike、他。 2022年の国産シリコーンの動向[J]有機シリコン材料、2023、37(03):68-89。

[2] 李秀之電力機器の外部絶縁におけるシリコーンゴム材料の応用[J]。電気技術と経済、2023(06):159-161+166。

[3] 張成燕バイオメディカル分野におけるシリコーンゴムの応用[J]。有機シリコン材料、2002(06):14-17。

[4] トーマス、NRフレデリック・スタンレー・キッピング—シリコン化学の先駆者：彼の生涯と遺産。シリコン2、187–193（2010）。 https://doi.org/10.1007/s12633-010-9051-x

[5] 傅吉来中国における有機シリコン産業とその発展[M]。北京：化学工業出版社、2006年。

[6] 謝萬、甘勇、王輝。 2035年に向けた新素材力戦略に関する研究[J]中国工学科学誌、2020年、22(05):1-9。

[7] 人民日報オンライン安徽省が「第14次5カ年計画」新素材産業発展計画を発表[EB/OL]（2022-04-13）[2024-07-09]。 http://ah.people.com.cn/n2/2022/0413/c358428-35219807.html

著者: Gao Huang、中国科学院蘭州化学物理研究所、材料科学博士課程学生

査読者: 姚 喬紅、北京大学化学分子工学部上級エンジニア、博士

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社