Lågutgasande silikoner för rymd-applikationer

Silikon är vanligt att använda i rymdapplikationer tack vare dess förträffliga egenskaper, till exempel att de klarar av både extremt kalla och varma temperaturer. De används för en mängd olika syften: limning, potting, inkapsling, coating och tätning.

Vikten av att använda lågutgasande silikon i rymden

I rymdapplikationer, där det är högt vakuum och extrem kyla, måste produkter som används fungera optimalt och det är viktigt att de inte bryts ner eller ställer till problem för omgivande komponenter som kan vara känsliga för utgasande kemiska ämnen.

Material som utsätts för direktexponering för rymden under långa perioder måste, förutom att vara lågutgasande, också vara beständiga mot strålning och atomiskt syre som är en mycket reaktiv form av syre som under tid eroderar lim, inkapslingmedel och liknande, speciellt kolväte-baserade sådana.

Alltså är utmaningen att hitta material som både har tillräckligt låg utgasning och dessutom erbjuder de fysikaliska egenskaper som krävs i krävande rymsapplikationer. Nusils silikoner håller måttet och kan användas till exepmpelvis limning, tätning, inkapsling, skyddande coatings mm. Vanliga applikationer för Nusils rymdklassade silikoner är antenner, kameror, sensorer, solpaneler och sammanfogning i rymdfarkoster.

Historik

Hos tidiga NASA-farkoster som hade silikonmaterial i sig, såg man en oljelik vätska som kom ut ur silikonen. Vakuum och extrema temperaturer fick materialet att brytas ner. På 1960-talet introducerades testmetoden ASTM E595 för att kunna bedöma om ett material var lämpligt eller inte att använda i rymdapplikationer. I detta test mäts hur stor mängd av materialet som går förlorat i form av total massa och som gaser samt hur mycket vattenånga som bildas. Senare introducerades även ASTM E1559 som mäter under en längre period och också registrerar vad som utgasas. 1981 kvalificerade Nusil sin första rymdklassade silikon.

Vad innebär utgasning?

Termen utgasning (engelska: outgassing) syftar på att gas som finns i ett fast material, så som ett lim eller kretskortlack, kan släppas iväg. Gasen kan sedan kondensera på optiska eller elektriska komponenter så som linser, fiberoptik eller känsliga elektroniska komponenter. Dessa kan då få ett synligt lager av dessa ämnen på sig. 

Vad är det som utgasar ur silikon?

Främst är det lågmolyekylära silikonvätskor som gasas ut vid hög temperatur eller lågt tryck. Dessa kan vara linjära eller cykliska. Var kommer dessa ifrån då? Jo, till stor del handlar det om att de används som grundmaterial vid tillverkningen av silikonelastomerer och en liten mängd kan bli kvar. Andra ämnen man kan hitta i utgasningen är små mängder av biprodukter från reaktioner, lågmolyekylära additiv samt nedbrytningsprodukter (främst vid hög temperatur).

Hur görs silikoner lågutgasande?

Vid tillverkningen av silikon kommer alltid molekylkedjor med lägre molekylvikt finnas. I varje process-steg renas silikoner som ska bli rymdklassade från föroreningar och lågmolekylära ämnen som bildas vid framställningen tas bort.

Definition av rymdklassad silikon

Nusil har två nivåer av rymdklassade, lågutgasande silikoner:

• CV-produkter klarar eller överträffar kraven enligt ASTM E595 med <1 % Total Mass Loss (TML) och <0,1 % Collected Volatile Condensable Material (CVCM). Detta är NASA-standard.
• SCV-produkter överträffar kraven tiofalt enligt ASTM E595 med <0,1 % Total Mass Loss (TML) och <0,01 % Collected Volatile Condensable Material (CVCM).

Testmetoder

ASTM E595 är dagens standard och den som erkänns av NASA. I kort så går testet till så här:
1.    Konditionering av testbitarna (50 % RH i 24 timmar).
2.    Vägning av testbitarna.
3.    Testbitarna läggs i en testkammare vid 125 C och tryck på 5*10^-5 torr i 24 timmar. 
4.    Efteråt så mäts skillnaden i testbitarnas vikt för att få fram Total Mass Loss (TML) som bör ligga på under 1 %. Vi får alltså ett värde för hur det ser ut efter en viss tid.
5.    Förångade ämnen som ”utgasas” leds ut och fångas på en kondensor-platta vid 25 C och vägs för att få fram mängden Collected Volatile Condensed Material (CVCM) som bör ligga på under 0,1 %.
6.    Dessa två värden, TML och CVCM bestämmer om materialet klarar testet eller inte.

ASTM E1559 analyserar kinetiken för utgasningen av ämnen hos materialet. Istället för att som ovan få ett värde för hur det ser ut efter en viss tid, så kan man få ut en kurva över tid.

Testbitarna sätts efter konditioneringen i en kammare 125 ᵒC och 10^-10 till 10^-8 torr i 72 timmar. Metoden använder en så kallad QCM (Quartz Crystal Microbalance) vid olika temperaturer (80 Kelvin, 160 K, 220 K och 298 K) för att kvantifiera mängden utgasande ämnen. Med hjälp av mass-spekroskopi kan dessa utvärderas kvalitativt.

Från detta test kan man få fram kurvor över Volatile condensable material (VCM) över tid samt TML över tid. Här kommer exempel på kurvor för några vanliga Nusil-material:

Mer information

Hoppas att du nu har fått med dig intressant information om lågutgasande silikoner.

Letar du efter en lågutgasande silikon med NASA-godkännande? Klicka här

Eller kika igenom Nusils katalog över rymdklassade silikoner HÄR.