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04-12-2020 | Materialentwicklung | Im Fokus | Article

Nachhaltige Vernetzung von Silikonen gelungen

Author:
Dieter Beste
3 min reading time

Die Herstellung von Silikonen erfolgt in der Regel mit Hilfe von Edelmetallen als Katalysatoren. Forscher konnten jetzt erstmals einen katalysatorfreien Vernetzungsprozess von industriellen Standard-Silikonen darstellen.

Silikone – in der Chemie meist englisch Silicone oder auch Polyorganosiloxane genannt – sind eine faszinierende Klasse von synthetischen Werkstoffen, die erst vor etwa 50 Jahren entdeckt wurden. Seither haben Silikon-Produkte eine stürmische Entwicklung erfahren. Sie bestehen aus einem Gerüst, das abwechselnd aus Silizium- und Sauerstoffatomen aufgebaut ist, beschreiben die Autoren in dem von Peter Eyerer und Helmut Schüle herausgegebenen Buches "Polymer Engineering 1" den molekularen Aufbau. "Dieses Grundgerüst kann durch organische, kohlenstoffhaltige Gruppen, vornehmlich Methylgruppen, verschiedenartig variiert werden. Dadurch gelangt man vom ursprünglichen Kieselsäuregerüst schrittweise von flüssigen Polymeren bis zu harzartigen Typen", erklären sie auf Seite 434. 

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Reactive Silicones as Multifacetic Materials

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Die Silikone vereinten so zum einen die Beständigkeit des Quarzes und zum anderen besondere Eigenschaften von anderen in den letzten Jahrzehnten entwickelten Kunststoffen, so die Springer-Autoren weiter: "Bei Siliconen ist die Silicium-Sauerstoff-Bindung bemerkenswert stabil, weshalb sie hohe Temperaturstabilität und Widerstand gegen UV- und IR-Strahlung sowie gegen zahlreiche andere Einflüsse besitzen. Die Seitengruppen, die im Wesentlichen aus Methylgruppen bestehen, sind um das Silicium-Sauerstoff-Rückgrat frei drehbar und sind für die wasserabweisenden (hydrophobierenden) Eigenschaften von Siliconprodukten verantwortlich. Weitere günstige Eigenschaften der Silicone sind gute Trennwirkung, hohe Elastizität, gute dielektrische Eigenschaften sowie Umweltverträglichkeit."

Den Stand der Technik in der Silikonchemie skizziert Helmut Ritter in "Makromoleküle I" ab Seite 120, beginnend mit der Direktsynthese von Methylchlorsilanen aus elementarem Silizium und organischem Methylchlorid, der sogenannten Müller-Rochow-Synthese. Die konventionelle industrielle Vernetzung von Siliconen – ihre Überführung in einen gummielastischen Zustand – erfolgt heute in der Regel durch eine zinnkatalysierte Kondensation, eine platinkatalysierte Addition oder eine Peroxidhärtung.

Unterdessen berichten Forscher des Wacker-Instituts für Siliciumchemie, gemeinsam gegründet von der Technischen Universität München und der Wacker Chemie AG, in der Zeitschrift "Green Chemistry" der Royal Society of Chemistry, dass es ihnen gelungen sei, einen Prozess zur Aushärtung von industriellen Standard-Silikonen zu entwickeln, der ohne Edelmetalle auskommt. In den derzeitigen industriell genutzten Verfahren habe vor allem die Additionsvernetzung große Bedeutung, da der Vernetzungsprozess keine Spaltprodukte freisetze und die Herstellung von besonders hochwertigen Silicon-Elastomeren ermögliche, so das Münchener Forscherteam um Bernhard Rieger, Inhaber des Wacker-Lehrstuhls für Makromolekulare Chemie, und Richard Weidner, zuständig für die Organosilicium-Forschung am Consortium für elektrochemische Industrie, der zentralen Forschungsstätte des Wacker-Konzerns. Das Verfahren habe allerdings einen Nachteil: Die zur Vernetzung benötigten Katalysatoren enthalten Edelmetalle wie etwa Platin, was die Herstellung teuer mache. Zudem verbleiben die Edelmetalle dauerhaft im Silicon.

Reaktive Ringmoleküle statt Edelmetall

Den Wissenschaftlern gelang es erstmals, Siliconkautschuke ohne edelmetallhaltige Katalysatoren zu vulkanisieren. Statt der sonst üblichen Vernetzer verwendeten sie dazu Siliconbausteine, die Siliran-Einheiten enthalten. Silirane sind reaktive dreigliedrige Ringmoleküle, erklären die Forscher. Sie bestehen aus einem Silizium- und zwei Kohlenstoff-Atomen, die unter Ringöffnung direkt mit geeigneten funktionellen Gruppen ohne Freisetzung von Nebenprodukten reagieren oder durch thermische beziehungsweise photochemische Aktivierung sogenannte Silylene erzeugen können. Diese hochreaktiven Verbindungen können wiederum mit allen funktionellen Gruppen und Synthesebausteinen reagieren, die bei der Herstellung von Siliconkautschuk üblicherweise eingesetzt werden. Die auf diese Weise hergestellten Siliconelastomere zeichneten sich durch eine sehr hohe Reinheit aus. Sie enthielten weder flüchtige Substanzen noch Spuren von Edelmetallen. "Das gilt vor allem für Elastomere, die mittels einer Ringöffnung vernetzt wurden. Solche Silicone sind insbesondere für medizinische Einsatzzwecke oder als Vergussmaterialien für die Elektroindustrie geeignet", sagt Bernhard Rieger. Die zum Patent angemeldete Arbeit sei auch deshalb wegweisend, weil sie erstmals zeige, wie hochreaktive Siliziumverbindungen für eine industrielle Anwendung prinzipiell nutzbar gemacht werden können.

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