Polimery Inne Niż Zwykle - Polidimetylosiloksan (PDMS)

Związki krzemoorganiczne należą do związków metaloorganicznych ze względu na obecność w strukturze wiązania krzem – węgiel. Są one znane już od ponad 100 lat, lecz zainteresowanie nimi nadal rośnie, pomimo że można je otrzymać wyłącznie syntetycznie. Związki krzemoorganiczne można podzielić na związki małocząsteczkowe, oligomery i polimery, różniące się między sobą liczbą atomów krzemu w cząsteczce. W zależności od rodzaju atomu X polimery krzemoorganiczne można podzielić na: polisilany (X = Si), polikarbosilany (X = C), polisiloksany (X = O), polisilazany (X = NH lub NR – grupa węglowodorowa), poliborosilany (X = B) oraz polisilikokarbodiimidy (X = N=C=N). Istotnym jest, że zmieniając podstawniki przy atomach krzemu można modyfikować i regulować stabilność chemiczną, termiczną, wpływać na rozpuszczalność polimeru oraz jego właściwości elektryczne czy optyczne.

Najważniejszą grupę związków krzemoorganicznych stanowią siloksany będące polimerami zbudowanymi z mostków krzemotlenowych Si-O-Si, a przy każdym atomie krzemu znajdują się grupy organiczne i/lub atomy wodoru. W zależności od liczby atomów tlenu przyłączonych do atomu krzemu można wyróżnić cztery jednostki strukturalne polisiloksanów: M (1), D (2), T (3) i Q (4). Warto zauważyć, że wiązanie Si-O jest jednym z najbardziej stabilnych wiązań utworzonych przez krzem.

Fakt, że polisiloksany są zbudowane z nieorganicznego łańcucha z naprzemiennie występującymi atomami krzemu i tlenu, które tworzą polarne wiązania Si-O oraz niepolarnych grup organicznych połączonych z atomami krzemu powoduje, że związki te mają unikatowe właściwości jak na przykład duża odporność termiczna, doskonałe właściwości dielektryczne, obojętność chemiczna i fizjologiczna, wysoka przepuszczalność dla gazów, mała reaktywność niska toksyczność i mała szkodliwość dla środowiska naturalnego. Stąd tez ogromne zainteresowanie tą grupą związków, dla których najprostszą metodą otrzymywania – w odniesieniu do liniowych polisiloksanów – jest hydroliza dipodstawionych dichlorosilanów, w wyniku której powstają silanodiole oraz cykliczne siloksany, wykorzystywane następnie jako substraty w reakcjach polikondensacji lub polimeryzacji z otwarciem pierścienia.

Polisiloksany znajdują zastosowanie praktycznie w każdym aspekcie współczesnego życia i prawie w każdej gałęzi przemysłu. Duża odporność na wysoką temperaturę i czynniki chemiczne, mały współczynnik temperaturowy lepkości i właściwości dielektryczne są przyczynami dla których znalazły one zastosowanie w produkcji farb ogniotrwałych, wysokogatunkowych smarów, dielektryków czy syntetycznych żywic. Ze względu na odporność na utlenianie związki te są stosowane do uszczelniania konstrukcji budowlanych. Niezwykła elastyczność szkieletu siloksanowego sprawia, że cechują się one największą elastycznością w niskich temperaturach wśród elastomerów dostępnych handlowo. 

Z uwagi na biozgodność i trwałość są powszechnie stosowanymi materiałami biomedycznymi, wykorzystywanymi do produkcji wyrobów medycznych codziennego użytku, elementów urządzeń stosowanych przy zabiegach chirurgicznych lub opatrunków. Ponieważ są one transparentne i biologicznie obojętne, są obecnie szeroko stosowane w większości preparatów kosmetycznych oraz do produkcji sztucznej skóry i implantów. Dzięki temu, że są to substancje nietoksyczne wykorzystuje się je także, jako dodatki do… żywności, gdzie pełnią funkcje przeciw spieniające i podnoszą trwałość niektórych wyrobów takich jak oleje do smażenia, soki czy dżemy. 

Pamiętając, że szkielet polimeru silikonowego zawiera krzem i tlen, ale nie zawiera węgla to niezwykle istotnym jest tutaj to, że wzdłuż boku szkieletu polimeru mogą znajdować się grupy funkcyjne oparte na węglu, które rozkładają się dopiero w wysokich temperaturach. 

Typowym przykładem może być tutaj polidimetylosiloksan (PDMS, dimetykon – ang. dimethicone), otrzymywany najczęściej w wyniku reakcji polikondensacji silanodioli. 

W metodzie tej małocząsteczkowe silanodiole, które zawierają od kilku do kilkunastu atomów krzemu, są poddawane reakcji z zastosowaniem katalizatorów, którymi mogą być kwasy protonowe, aminy, czy mocne zasady alkoholowe. Wiązanie silanowe powstaje tutaj w wyniku reakcji końcowych grup hydroksylowych, prowadzącej do utworzenia struktur liniowych lub pierścieniowych. Polikondensacja pozwala na uzyskanie stosunkowo krótkich łańcuchów, zawierających od kilku do kilkunastu atomów krzemu. Metoda ta jest najczęściej wykorzystywana do otrzymywania olei silikonowych, smarów, kauczuków czy też żywic.

PDMS jest polimerem silnie hydrofobowym, przepuszczalnym dla gazów i przezroczystym w stosunkowo szerokim zakresie UV-VIS (230–700 nm). Jest on używany między innymi do produkcji soczewek kontaktowych oraz jako dodatek do kosmetyków, a także jako izolator czy smar. Jest również popularnym materiałem do wykonywania mikrosystemów chemicznych (tzw. Lab-On-a-Chip). Dimetykon jest stosowany jako lek zmniejszający napięcie powierzchniowe pęcherzyków powietrza, umożliwiający resorpcję uwolnionego gazu i wydalenie na drodze perystaltyki. Likwiduje uczucie napięcia i bólu związanego ze wzmożonym gromadzeniem się gazu w jelitach. Jest również składnikiem simetykonu, stosowanego w podobnych wskazaniach. Pewnego rodzaju ciekawostkę stanowi fakt, że polidimetylosiloksan jest dodawany w śladowych ilościach do produktów typu „fast food” i znany pod symbolem E900. Innym zastosowaniem są ciecze smarujące w trudno dostępnych zamknięciach łożysk stosowanych w pojazdach kosmicznych i samolotach.

Jednak jedną z najpopularniejszych aplikacji tego osobliwego polimeru jest… kosmetologia. Z racji tego, że dimetykon należy do silikonów, jego działanie jest ściśle określone. Jego obecność wpływa przede wszystkim na odczucia sensoryczne podczas aplikacji danego preparatu – łatwiej się rozsmarowuje, daje efekt jedwabistości i gładkości. Polidimetylosiloksan wytwarza na skórze lub włosach nieprzepuszczalny film ochronny (okluzję). Ogranicza parowanie wody z naskórka, przez co przyczynia się do odpowiedniego nawilżenia skóry. Sam w sobie nie jest składnikiem aktywnym. Jego inne działanie to ograniczenie wytwarzania piany przez dany kosmetyk. Wpływa również na lepkość produktu, odpowiednio ją zmniejszając. 

Mówiąc inaczej poprawia właściwości aplikacyjne preparatu, ułatwiając jego rozprowadzanie oraz dając efekt wygładzenia. Z chemicznego punktu widzenia jest on tak naprawdę modyfikatorem reologii, wpływając na konsystencję preparatu ostatecznie zmniejszającym lepkość produktu, stanowiąc tzw. emolient suchy, zabezpieczający przed efektem „tłuszczenia”, czyli tworzenia lepkiej, tłustej warstwy na powierzchni skóry. 

Należy dodać, że zastosowanie silikonów w branży kosmetycznej jest tematem mocno kontrowersyjnym. Ma on zarówno swoich zwolenników, jak i zagorzałych przeciwników. Oto produkty, w których można znaleźć dimetykon.

• Produkty do makijażu, wszelkiego rodzaju podkłady, kremowe cienie, szminki. Silikon ten ułatwia ich aplikację, dając efekt jedwabistego wykończenia, odpornego na działanie wysokiej temperatury oraz wilgoć,
• Bazy pod makijaż,
• Kremy do twarzy – obecność polidimetylosiloksanu ułatwia aplikację oraz przyczynia się do zwiększenia nawilżenia skóry. Chroni przed czynnikami zewnętrznymi, mrozem lub wiatrem. Sprawia, że zmarszczki stają się mniej widoczne,
• Szampony do włosów – silikon ten nadaje miękkość włosom (wygładza),
• Maski i odżywki do włosów z dodatkiem tej substancji silnie wygładzają i nabłyszczają. Jako że odżywki mają z nimi dłuższy kontakt niż szampon, tworzą warstwę ochronną (emolient),
• Produkty zabezpieczające końcówki włosów przed zniszczeniem (ochrona przed wysoką temperaturą suszarki, zniszczeniami mechanicznymi),
• Balsamy do ciała, szczególnie te do zadań specjalnych (silnie wygładzające i rozświetlające),
• Kremy do dłoni nadające skórze jedwabistość i gładkość. Działają ochronnie.

Wiele organizacji światowych uznało dimetykon za składnik bezpieczny do stosowania w produktach pielęgnacyjnych. Mówi się, że może wykazywać znikome działanie drażniące. Warto pamiętać, że silikony z reguły posiadają właściwości komedogenne. Co to oznacza? Tworząc ochronny film na skórze, sprawiają, że nie ma ona czym oddychać. Fakt ten może powodować namnażanie się beztlenowych bakterii oraz pojawienie się wyprysków. Składnik ten nie jest polecany dla cer trądzikowych. Ciekawostką jest fakt, że PDMS jest także obecnie najskuteczniejszą substancją leczącą wszawicę. Działa poprzez zablokowanie pasożytom dostępu do tlenu, czyli przez uduszenie.

Dimetykon, według niektórych źródeł, jest bezpieczny do stosowania w produktach kosmetycznych. Cosmetic Ingredient Review (CIR) w 2003 r. uznał go za bezpieczny składnik produktów kosmetycznych. Substancja wykazuje minimalny lub łagodny potencjał drażniący skórę i oczy. CIR w 2020 r. na podstawie nowych dostępnych danych i poprzedniego raportu bezpieczeństwa, potwierdził pierwotny wniosek i uznał go za bezpieczny składnik do stosowania w produktach kosmetycznych, jeśli są one sformułowane tak, aby nie podrażniały skóry i oczu.

Ze względu na fakt, że dimetykon ma dużą cząsteczkę nie penetruje ona w głąb skóry, do krwiobiegu. Stąd też przyjmuje się, że produkty z tym składnikiem mogą być stosowane w ciąży i w okresie karmienia piersią. Zaleca się jednak ostrożność, ponieważ skóra w tym czasie może być nadwrażliwa.

Dla celów przemysłowych polidimetylosiloksan powstaje podczas syntezy krzemu wraz z tlenem. Jest substancją syntetyczną.

Źródła:

1.      Polimetylowodorosiloksan funkcjonalizowany związkami organicznymi zawierającymi w cząsteczkach atomy wodoru – Aleksandra Chechelska-Noworyta

2.      Internet: Estetico, Kosmopedia, Wikipedia