בואו נעשה קצת סדר במושגים

ה-SiO2 באנגלית הוא קיצור של Silicon Dioxide ובעברית נקרא סיליקה דו-חמצנית.

סיליקה דו-חמצנית (SiO2) היא התרכובת הכימית שמורכבת משני אטומי חמצן ואטום אחד של סיליקון והיא נפוצה בחול ים. 

מה לגבי קווארץ (Quartz)? 

קווארץ הוא הצורה הגבישית של סיליקה דו-חמצנית. כלומר, קווארץ הוא מינרל שעשוי מ-SiO2 אך מאופיין במבנה גבישי סדור ומוצק.

חול ים מורכב בעיקר מגרגרים קטנים של סיליקה דו-חמצנית (SiO2),  שברוב המקרים מופיעה בצורת קווארץ גבישי.

לסיכום, סיליקה דו-חמצנית היא החומר הכימי הבסיסי, וקווארץ הוא אחת הצורות שבהן הוא מופיע בטבע, בצורתו הגבישית. לצורך הפשטות ניתן להתייחס ל-SiO2 ול-Quartz כאחד.

הידרופוביות הידרופיליות 

באופן מעניין ה-SiO2 הוא איננו דוחה מים (הידרופובי) אלא שהוא סופח מים (הידרופילי).

דמיינו לעצמכם גל ששוטף חול יבש. האם החול דוחה את המים או סופח אותם? גם שמשת רכב, שתהליך הייצור שלה נעשה מחול, היא הידרופילית.

אם תשפכו מים על זכוכית אתם תראו את המים כגוש אחד נמשכים למשטח ולא נדחים ממנו.

יותר מכך, נעשה שימוש ב-SiO2 (סיליקה דו-חמצנית) כרכיב סופח נוזלים.

צורת הסיליקה הנפוצה למטרה זו היא סיליקה ג'ל (Silica Gel), שהיא חומר נקבובי מאוד עם שטח פנים גדול המסוגל לספוג לחות ביעילות.

סיליקה ג'ל משמש בעיקר כחומר ייבוש שנועד לספוג מים ואדי לחות מהאוויר בסביבות אטומות כדי לשמור על יובש של מוצרים כגון מזון, אלקטרוניקה, תרופות, ומכשירים רגישים ללחות.
זאת אומרת שה-SiO2 בתצורתו הטבעית אינו הידרופובי כלל, ובכל זאת נוטים לייחס את הקסם ההידרופובי ל-SiO2.

ההידרופוביה נוצרת באמצעות תהליך פולימריזציה:

פולימריזציה היא תהליך כימי שבו מולקולות קטנות (מונומרים) מתחברות זו לזו ליצירת שרשראות ארוכות יותר, הנקראות פולימרים.

פולימרים הם הבסיס לחומרים פלסטיים, גומי, וציפויים רבים. סוג פולימר נפוץ לשימוש בציפויים הוא PDMS (Polydimethylsiloxane).

הוא מתאפיין במבנה גמיש ורך, עמיד ויציב בטמפרטורות גבוהות ובעל עמידות במים ודחיית מים. 
בציפויים, פולימרים כמו PDMS ו-Siloxane משמשים כמרכיב מרכזי בשל התכונות הפיזיקליות והכימיות המיוחדות שלהם.

בציפויים קרמיים או ציפויי גרפין, נעשה שימוש ב-PDMS בכדי לשפר את החלקות של הציפוי, הגמישות שלו, ויכולת הדחייה של מים ולכלוך (הידרופוביות).

בנוסף, הם מגינים על משטחי הרכב משחיקה, פגעי מזג האוויר, וקרינת UV. 

אז איך מחול ים הגענו ל-PDMS ?

כדי להבין צריך לפרט את התהליך הכימי וההשפעה שלו על שינוי התכונות של החומרים.

1. הפקת סיליקון טהור מ-SiO2:
באמצעות תהליכים כימיים וחימום, מתבצע תהליך שבו מפרידים בין אטומי הסיליקון (Si) לבין אטומי החמצן (O).

כך מפיקים סיליקון טהור.

2. יצירת פוליסילוקסן:

הסיליקון הטהור (Si) משמש ליצירת סילאן (Silane) אשר משמש הוא חומר בסיסי להפקת הפולימרים מבוססי הסיליקון.

הסילאן הוא חומר בסיסי חשוב מאוד בהפקת פולימרים מבוססי סיליקון.

הסילאן עובר תהליך הידרוליזה או פולימריזציה, שבו מתבצע תהליך של חיבור בין אטומי סיליקון ואטומי חמצן.

התהליך יוצר שרשראות סילוקסן (Si-O-Si), שמתחברות ליצירת פולימרים כמו PDMS. למען הפשטות ניתן לקרוא להם פולימרים קרמיים.

למרות שה-PDMS הוא תוצר של הליך כימי שהמקור שלו ב-SiO2. התכונות הפונקציונליות שלהם שונות בתכלית אחד מהשני.

ה- SiO₂: חומר קשה, שביר, ועמיד בפני חום. יש לו יציבות תרמית גבוהה, אך הוא פחות גמיש. בדרך כלל הידרופילי, כלומר, סופג מים ויוצר קשרים עם מולקולות מים 
ה- PDMS: חומר גמיש ורך יותר, בעל יכולת עמידות גבוהה בפני חום ולחות. הידרופובי, כלומר, דוחה מים ואינו סופג אותם.

חברות שמדברות על ריכוז Sio2 עושות את זה מטעמים שיווקים בלבד. ציפוי שהוא 100% SiO2 הוא אבקה חולית גבישית ובהצלחה ביישום של דבר כזה...

איך הכל התחיל?

כדי להבין את ההבדל הגדול בתכונות  בין השניים והאבולוציה שלהם בפורמולות הציפויים צריך ללכת שנים אחורה.
בעבר, הציפויים הקרמיים נטו להיות הליך רב שכבתי עם זמן ייבוש מסוים בין השכבות. זאת מתוך נקודת מוצא שלכל שכבה פונקציה אחרת בסיסטם של הציפוי.

ציפויי הבסיס היו מבוססים SiO2 ללא הליך פולימרציה וציפוי הבסיס לא הוסיפו ברק ולא היו הידרופוביים.

זאת על מנת להשיג שכבת בסיס קשיחה, אשר מפחיתה את היווצרות השריטות שנוצרות על פני השטח.

לאחר מכן היו מיישמים שכבת top coat, שבעיקרה מבוססת על PDMS ו-Siloxane (הפולימרים הקרמיים - הרכיבים ההידרופוביים).

את הציפוי הבסיס האלה ניתן היה לזהות באמצעות היווצרות רבה גבישים וקריסטלים מסביב לבקבוק הציפוי.
בשנים האחרונות התחזקה המגמה של composite coatings שהם גם ציפויים היברדיים שמבוססים בעיקרם על הפולימרים הקרמיים, כדי לתת All in One בשכבה אחת.

אך גם מכילים את ה-SiO2 בתצורה שאיננה פולימרית על מנת להעניק רכיב של קשיחות שגם נדרשת.

על אף שזו נשמעת כמו פשרה, יש ל- composite coatings יתרונות רבים.

ה-SiO2 בתצורה שאיננה פולימרית מייצרת קשרים כימים עם הצבע והם יושבים "על הצבע". בעוד שה-PDMS וה-Siloxane מגיבים עם הצבע ונוטים "להתיישב בתוכו".

על קצה המזלג, כל חברה בוחרת בתמהיל הנכון שלי ובאיזון שהיא מעוניינת לבצע בין הביצועים. לכן הציפוי שהוא הכי הידרופובי הוא בהכרח זה שדווקא הכי מגן על הצבע. 
בעוד שה-SiO2 בתצורה הלא פולימרית הוא קשיח מאוד ובכך מסייע בהפחתת סווירלים ובכך מסייע בשימור הברק של הרכב, גם לפולימרים הקרמיים יש תכונות של הפחתת סווירלים שלא נובעת מהקשיחות, אלא דווקא מהרכות והחלקלקות של המשטח. החלקלקות של המשטח גורמת להפחתת החיכוך עם הצבע (Friction Reduction) ובכך גם מספקת הגנה מסוימת מפני סווירלים.

דוגמא טובה היא מתאבקים אשר מורחים על פניהם וזלין שומני. השומניות מספקת הפחתה של החיכוך והחלקה  ובכך גם מפחיתים את כמות החתכים שעשויים להיווצר מהמכות.

ומה לגבי "גרפין" ?
ראשית השם גרפין, הוא לא מדויק כמו השימוש במינוח של SiO2.

לא ניתן לעשות שימוש ב-Graphene הטהור בפורמולות נוזליות. לכן באמצעות תהליכים כימיים שלא נרחיב בהם עושים שימוש ב-rGO (Reduced Graphene Oxide).  
ומה העניין עם קרבון?  הגרפין איננו שונה בתכלית מהציפויים הקרמיים, שבדומה לכל החברות בשוק זה לא שונה במהות מה- composite coatings אלא שהוא רק תוסף לציפויים אלו.

לסרטון הסבר של הכימאי Lee Kennedy מטעם Gtechniq לחצו מטה:

https://www.youtube.com/watch?v=qBIQvS00SSk&t=76s