PROPRIÉTÉS DU SILICIUM ET DES COMPOSÉS ORGANOSILICIQUES

SILICIUM ET COMPOSÉS ORGANOSILICIQUES

Après l’oxygène, le silicium est l’élément le plus largement répandu sur la Terre. On ne le rencontre pas à l’état natif, mais sous forme d’oxyde (silice) ou de silicates (feldspath, kaolinite, etc.) dans le sable, les roches et les terres argileuses. L’un des procédés de préparation du silicium consiste à chauffer du quartz (SiO₂) en présence de carbone; il se produit un dégagement de monoxyde de carbone et le résidu obtenu est du silicium brut (à 98%). C’est là une pureté suffisante pour permettre l’incorporation aux alliages — d’aluminium ou de fer, par exemple — destinée à rendre ces alliages plus durs ou moins fragiles. On prépare le silicium pur en chauffant le silicium brut dans une atmosphère de chlore. On obtient ainsi le tétrachlorure volatil SiCl₄ qu’on sépare par distillation. En chauffant ce liquide sous atmosphère d’hydrogène, on recueille du silicium pur. L’élément est façonné en baguettes que l’on débarrasse de leurs dernières impuretés en portant successivement au point de fusion de petits tronçons de baguette, ce qui chasse les impuretés vers leur extrémité. L’opération a lieu en atmosphère inerte, par exemple d’argon, contenant des traces des éléments qu’on désire incorporer au silicium et qui se dissolvent dans le silicium liquide.

Les siloxanes sont des composés qui contiennent de l’oxygène en plus de l’hydrogène et du silicium et, habituellement aussi, du carbone (encore qu’il existe quelques siloxanes minéraux). A partir de petites molécules se développent d’importantes structures (polymères) auxquelles on peut conférer diverses propriétés (fluidité, élasticité, stabilité et autres). Les siloxanes se présentent sous forme de résines, d’élastomères (composés de type caoutchouc) ou d’huiles.

Applications

Le silicium entre dans la composition d’alliages avec l’acier, l’aluminium, le cuivre, le bronze et le fer. Il est aussi largement utilisé dans la fabrication des semi-conducteurs et pour la production de silane ou de composés organosiliciques.

Les composés organosiliciques sont employés sous forme de résines, d’élastomères (composés de type caoutchouc) ou d’huiles. Les résines organosiliciques sont des composés qui, lorsqu’on les mélange à diverses autres substances mises en œuvre dans l’industrie des peintures (durcisseurs, accélérateurs, etc.), forment des couches très stables particulièrement bien adaptées à l’enduction de substrats auxquels les autres peintures n’adhèrent pas (les surfaces métalliques, par exemple). En outre, ces enduits sont assez résistants à un chauffage momentané ou à l’attaque de l’oxygène, et leur couleur tient à la lumière solaire. Ces résines sont également utilisées en plasturgie (agents de démoulage) et pour la fabrication de mousses particulièrement résistantes aux températures élevées; ce sont en outre de bons isolants thermiques. Elles existent aussi sous forme de «feuils» minces employés dans l’industrie électronique à cause de leur faible combustibilité et aussi de leurs excellentes propriétés isolantes vis-à-vis du courant électrique, même en milieu humide. Les résines silicones trouvent de nombreuses applications en raison de leur bonne stabilité thermique et de leurs propriétés hydrofuges, ainsi que de leur résistance aux solvants, aux températures élevées et à la lumière solaire. Elles sont utilisées dans les peintures, vernis, en plasturgie (agents de démoulage), comme isolants électriques, dans les adhésifs autocollants et les revêtements antiadhésifs, ou encore dans les stratifiés.

Le silicate de méthyle, liquide assez volatil, sert à la fabrication des écrans de télévision. Lorsqu’il se décompose dans l’eau, il se forme une couche transparente d’acide silicique qui est déposée sur la paroi de verre pour constituer l’écran. Le silicate d’éthyle est utilisé comme liant dans la fabrication des moules destinés à des procédés spéciaux de moulage métallurgique ou comme point de départ en synthèse chimique.

Les risques et leur prévention

La partie qui suit est consacrée aux risques que comportent les composés organosiliciques. Le lecteur pourra se reporter à un autre chapitre de la présente Encyclopédie qui traite des effets de l’exposition aux silicates, notamment aux silicates cristallins. Les effets des carbures de silicium sont également étudiés ailleurs dans l’ouvrage.

On ignore quels risques toxicologiques sont liés au silicium élémentaire. La réglementation le considère la plupart du temps comme une poussière incommodante. Lorsque le silicium est préparé et purifié en l’absence d’air, le procédé se déroule dans un système clos, étanche aux gaz, ce qui devrait limiter l’exposition. Les risques peuvent être dus aux produits chimiques qui sont utilisés conjointement avec le silicium dans divers procédés de fabrication. Les trois types de composé du silicium étudiés ici sont les silanes, les siloxanes et les hétérosiloxanes.

Les silanes sont formés d’hydrogène et de silicium. Ce sont pour la plupart des substances extrêmement stables, de consistance huileuse, qui n’ont par elles-mêmes que de très rares applications. Par contre, additionnées de chlore, d’azote, etc., elles peuvent être utilisées en synthèse chimique. Contrairement aux autres silanes, le tétrachlorosilane et le trichlorosilane sont des composés très réactifs susceptibles d’émettre des vapeurs extrêmement irritantes et suffocantes. Au contact de l’eau, ils se décomposent par hydrolyse en libérant du chlorure d’hydrogène. L’humidité atmosphérique peut provoquer cette hydrolyse, dont les produits sont susceptibles d’avoir des effets très sensibles sur les yeux et les voies respiratoires. De plus, le trichlorosilane s’enflamme facilement. Ces liquides sont considérés comme des substances corrosives et sont conditionnés dans des ampoules de quartz ou des caissons d’acier inoxydable. On peut en neutraliser les débords par le carbonate de calcium anhydre.

Les vapeurs d’huile de siloxane peuvent être irritantes pour les yeux, et on a signalé la possibilité de graves effets sur l’appareil respiratoire en cas d’exposition à de très fortes concentrations. Au contraire, les résines silicones, que l’on a considérées jusqu’ici comme inoffensives, ont été et sont encore largement utilisées pour la confection d’implants.

Les élastomères (composés de type caoutchouc) sont des substances qui se caractérisent par leur grande stabilité aux températures élevées (250 ºC) ou basses (jusqu’à –75 ºC) et leur résistance à l’attaque par des produits chimiques. Leur inertie chimique est telle qu’on les emploie souvent pour des implants biologiques, par exemple des prothèses de vaisseaux sanguins. En outre, ils sont insolubles dans nombre de solvants organiques, comme le trichloréthylène ou l’acétone. Les membranes en caoutchouc silicone sont facilement perméables aux gaz tels que l’oxygène, même dissous dans l’eau.

Il faut noter qu’il existe d’importantes controverses et des conflits juridiques concernant les effets des implants en silicone utilisés pour la chirurgie plastique des seins, plusieurs spécialistes de renom ayant des avis divergents au sujet d’éventuels risques à long terme pour la santé.

Les huiles sont des composés qui demeurent également stables lorsqu’ils sont exposés à de grandes variations de température. C’est la raison pour laquelle on les emploie souvent comme lubrifiants, leur viscosité restant pratiquement constante aux différentes températures. On les utilise également comme hydrofuges, pour application sur les murs, les textiles ou le cuir. Les pièces moulées par compression peuvent être facilement dégagées des moules enduits de ces composés, qui servent aussi d’agents antimousse (cette propriété est notamment mise à profit pour soulager les bronchiteux chroniques, chez qui l’inhalation des vapeurs de ces huiles facilite l’expectoration). On a observé chez les animaux de laboratoire que ces substances sont éliminées très lentement par les poumons, mais que leur présence ne cause aucune réaction indésirable. Les pommades aux silicones sont très bien tolérées et, du fait de leur pouvoir hydrofuge, contribuent à la prévention ou à la guérison des eczémas de contact, en isolant la peau des substances auxquelles elle est hypersensible.

De même, l’expérimentation animale a montré que l’inhalation de vapeurs très concentrées produit une narcose qui peut être mortelle; toutefois, les animaux qui ont survécu à la narcose se sont complètement rétablis. Les huiles de silicone irritent légèrement la muqueuse oculaire en provoquant une rougeur, une sensation douloureuse et un larmoiement; seuls les composés de faible masse moléculaire déterminent des symptômes plus graves.

Outre le silicium, l’hydrogène et l’oxygène, les hétérosiloxanes renferment d’autres éléments, par exemple des métaux (aluminium, étain, plomb, etc.), de même que du bore, de l’arsenic, etc. Ils s’hydrolysent facilement et sont par conséquent dangereux pour l’organisme humain, qui est constitué en grande partie d’eau. En général, les hétérosiloxanes sont produits en vue de servir d’intermédiaires de synthèse. Dans ce groupement, le silicate de méthyle et le silicate d’éthyle occupent une place particulière. Le silicate de méthyle, qui est un liquide assez volatil, est utilisé, comme on l’a vu, pour la fabrication des écrans de télévision. Si du silicate de méthyle en phase liquide ou vapeur pénètre dans les yeux, il ne produit tout d’abord aucun effet, mais après 10 à 12 heures, il déclenche une violente douleur locale, accompagnée de rougeur et de larmoiement. La cornée s’opacifie et il se produit des ulcérations qui peuvent entraîner la cécité. L’inhalation des vapeurs provoque des lésions pulmonaires ou rénales potentiellement mortelles. Puisque aucune douleur n’avertit immédiatement de l’atteinte par les vapeurs ou le liquide, le silicate de méthyle appelle des précautions particulières. Il faut notamment prévenir le bris des flacons, se protéger les yeux au moyen de lunettes de sécurité étanches aux gaz et aménager un système d’aspiration localisée pour éliminer le risque d’inhalation de vapeurs en cas de débords ou autre circonstance dangereuse.

Le silicate d’éthyle, qui est utilisé comme liant dans la fabrication des moules destinés à des procédés spéciaux de moulage métallurgique ou comme point de départ dans certaines synthèses chimiques, présente une faible tension de vapeur; de ce fait, le risque d’exposition est réduit. A concentration élevée, il se comporte comme un irritant cutanéo-muqueux et, à très forte concentration, il s’est révélé mortel pour les animaux de laboratoire.

Les homologues supérieurs du silicate d’éthyle sont moins agressifs.

TABLEAUX DU SILICIUM ET DES COMPOSÉS ORGANOSILICIQUES