Einleitung

Silikon ist ein Kunststoff, der uns im Alltag in einer Vielzahl an Produkten begegnet. Es ist physiologisch unbedenklich, weshalb es in der Medizintechnik ein gern genutzter Kunststoff ist, um daraus Implantate, künstliche Herzklappen oder Herzschrittmacher herzustellen. Es findet sich zudem in Produkten des täglichen Bedarfs, wie Haarshampoos, Gels, Kosmetika oder auch den beliebten Silikonbackformen.

Die Autoindustrie setzt Öle auf der Basis von Silikon, die Bauindustrie nutzt Silikon als Dichtmaterial, die Textilindustrie für Imprägnierungen und die Elektronikindustrie für Kabelummantelungen.

Silikon Definition

Der Name Silikon oder Silikone bezeichnet eine Kunststofffamilie, die sich durch den gleichen Grundaufbau auszeichnet. Das Grundgerüst bilden Siliciumatome, die über Sauerstoffatome zu Molekülketten linear oder auch netzartig verknüpft. Die beiden restlichen, freien Plätze am Siliciumatom werden durch organische Kohlenwasserstoffgruppen, meist Methylgruppen, eingenommen. [ Bild: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8c/Dimethylpolysiloxan.png]
Statt der Bezeichung Silikone findet sich, vor allem in der wissenschaftlichen Literatur, auch die exakte BezeichungPoly(organo)siloxane, Polysiloxane oder vereinfacht Siloxane.

Silikon Geschichte

Silikone wurden von dem britischen Chemiker Frederick Stanley Kipping zu Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts entdeckt. Der Name “silicone” leitet sich von siliciumbasierte Ketone ab.

Dies sollte auf die Analogie zu den entsprechenden Sauerstoffverbindungen des chemisch verwandten Elements Kohlenstoff, den Polyketonen, verweisen.

Silikon Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften von Silikon

Silikonkunststoffe sind sehr stabil und zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

  • resistent gegenüber einer Reihe von Umwelteinflüssen, wie UV-Licht, Ozon oder Strahlung
  • inert gegen viele Chemikalien und oxidierende Substanzen
  • stark wasserabweisend
  • hohe Gasdurchlässigkeit
  • elektrisch isolierend

Mechanische Eigenschaften von Silikon

Silikon hat, je nach Vernetzungsgrad, unterschiedliche mechanische Eigenschaften. Der Vernetzungsgrad beschreibt, wie sehr die linearen Si-O-Si-Ketten miteinander verknüpft sind. Sind diese über jedes Siliciumatom untereinander verbunden, so entsteht ein sehr stark vernetzter Kunststoff, den man sich als ein dichtes, engmaschiges Gitter vorstellen kann. Dieser Kunststoff aus Silikon ist sehr hart. In Silikongummi oder Silikonharzen sind die Ketten dagegen nicht über jedes Siliciumatom miteinander verbunden, so dass man sich die Struktur eher als ein weitmaschiges Netz vorstellen kann. Dieser Kunststoff ist weich und flexibel.

Thermische Eigenschaften von Silikon

Silikon ist ein sehr wärmebeständiger Kunststoff aufgrund der starken Si-O-Si-Bindung. Diese kann nur durch sehr hohe Temperaturen getrennt werden. Damit sind Silikone im Temperaturbereich von -5°C bis 200°C stabil und behalten ihre Flexibilität. Manche Silikonkunststoffe halten Temperaturen bis zu +300°C aus, andere sind bei tiefen Temperaturen von bis zu -100°C noch einsetzbar.

Sonstige Eigenschaften von Silikon

Silikone und Kunststoffe aus Silikon sind physiologisch unbedenklich.

Silikon Arten

Das Grundgerüst der Silikone bietet mehrere Verknüpfungsmöglichkeiten, je nachdem, welcher Grundbaustein eingesetzt wird.

Lineare und cyclische Polysiloxane bilden sich aus den difunktionellen Siloxaneinheiten. Hier ist jedes einzelne Silikonatome über zwei Sauerstoffatome mit dem nächsten verknüpft, wodurch lange Polymerketten gebildet werden.

Lineare Silikone sind flüssig und kommen zum Beispiel als Silikonöle in den Handel.
Difunktionelle Siloxaneinheiten können auch Ringe bilden. Diese Cyclosiloxane werden weiter verarbeitet und sind Ausgangsstoffe für darauf folgende Polymerisationsreaktionen.

Trifunktionelle Polysiloxane können an drei Stellen verknüpft werden. Sie bilden verzweigte Strukturen und sind die Grundlage für Silikonharze.

Tetrafunktionelle Grundeinheiten reagieren an vier Stellen miteinander und es bildet sich ein sehr dichtes Molekülnetz. Diese Silikon-Kunststoffe sind sehr hart und mit den Silikaten vergleichbar. Das bekannteste Silikat ist Quarz.

Silikonöle

Silikonöle sind flüssig. Sie sind

  • klar
  • farblos
  • geruchlos
  • ungiftig
  • chemisch inert
  • hydrophob (also wasserabstoßend)
  • stabil über einen weiten Temperaturbereich (-80°C bis zu 150°C)
  • viskos bis hochviskos (je nach Molekulargewicht). Ihre Viskosität bleibt dabei über einen weiten Temperaturbereich erhalten.

Silikonpasten und Silikonfette

Silikonpasten werden aus Silikonölen erhalten, indem sogenannte anorganische Verdickungsmittel, beispielsweise hochdisperse (also sehr feinverteilte) Kieselsäuren, eingearbeitet werden. Eine andere Möglichkeit ist die Einarbeitung von Metallseifen in Silikonöle. Diese Produkte werden als Silikonfette bezeichnet.

Silikonkautschuk

Silikonkautschuk ist aus linearen Polysiloxaneinheiten aufgebaut und bildet die Grundlage für eine Vielzahl an Gummiprodukten (= Silikonelastomere) . Silikonkautschuk enthält funktionelle Gruppen (Vinyl- oder Hydroxylgruppen), über die die Vernetzung der linearen Polysiloxaneinheiten erfolgt. Die Vernetzungsreaktion kann bei hohen oder tiefen Temperaturen erfolgen.

Daher unterscheidet man zwischen heißvulkanisierenden Silikonkautschuken und kaltvulkanisierenden Silikonkautschuken.

Silikon kann zudem in fester Form als Festsilikonkautschuk (HCR) vorliegen oder als Flüssigsilikon (LSR).

Schließlich unterscheidet man die Art der Vulkanisation, also das Verfahren, wie der Silikonkautschuk in den endgültigen Silikongummi überführt wird.

Heißvulkanisierende Silikonkautschuke (HTV)

Für die Vulkanisierung bei höheren Temperaturen kann Festsilikonkautschuk (HCR) als Ausgangsstoff verwendet werden. Dieser ist plastisch verformbar. Die Vernetzung erfolgt durch sogenannte Peroxide oder Platinkatalysatoren.
Die daraus entstehenden Silikonelastomere haben folgende Eigenschaften:

  • wärmebeständig über einen weiten Temperaturbereich (-50°C – 200°C)
  • elastisch über diesen Temperaturbereich
  • alterungsbeständig

Flüssigsilikon (LSR)

Flüssigsilikon, auch als Liquid Silicone Rubber (LSR) bekannt, gehört ebenfalls zu den heißvulkanisierenden Silikonkautschuken. Es hat eine niedrige Viskosität und besteht aus kürzeren Molekülketten als Festsilikonkautschuk. Flüssigsilikon hat den Vorteil, dass es in Formen gegossen oder gespritzt werden kann. Es besteht es aus zwei Komponenten, die kurz vor der Verarbeitung vermischt werden. Die Vernetzung erfolgt normalerweise sehr schnell mit Hilfe von Platinkatalysatoren.

Kaltvulkanisierende Silikonkautschuke (RTV)

RTV-Silikonkautschuke vernetzen sich bereits bei Raumtemperatur. Es gibt sie als flüssige, gießbare oder festere, knetbare Masse. RTV-Silikonkautschuke bestehen entweder aus Ein- oder aus Zwei-Komponentensystemen.

Ein-Komponentensysteme härten an der Luft aus. Sie werden als Abdicht- oder Fugenmassen eingesetzt und zeichnen sich durch gute Witterungs- und Alterungsbeständigkeit aus.

Bei Zwei-Komponentensystemen besitzt eine Komponente ungesättigte Gruppen, an denen die Vernetzung erfolgt, sowie einen Katalysator. Die zweite Komponente enthält den Vernetzer. Werden beide Komponenten zusammengegeben, kann die Reaktion ablaufen: der Kunststoff härtet aus.

Silikonkautschuke als Füllstoffe

Silikonkautschuke werden zusätzlich durch Füllstoffe stabilisiert, die sich in das Netzwerk des Silikonkautschuks einlagern. Dadurch verstärken sie ihn und machen ihn stabiler. Typische Füllstoffe sind spezieller Ruß oder pyrogene Kieselsäure (feste “Kieselsäureklümpchen”). Außerdem können Silikonelastomere problemlos eingefärbt werden.

Silikonharze

Silikonharze sind hochvernetzte Polymethylsiloxane oder auch Poly(methylphenyl)siloxane mit folgenden Eigenschaften: Sie sind beständig gegenüber:

  • Wärme
  • UV-Licht
  • Witterungseinflüssen,
  • Ozon
  • Chemikalien
  • oxidierenden Medien

Mit der Zahl an Phenylgruppen steigen Wärmebeständigkeit und Elastizität des Materials.

Silikon Herstellung

Silikon wird großtechnisch nach der Müller-Rochow-Synthese hergestellt. Hierbei wird fein gemahlener Siliciumstaub mit Methylchlorid-Dampf bei einer Temperatur von 300°C und unter Verwendung eines Kupferkatalysators umgesetzt.

Als Reaktionsprodukt entsteht ein Gemisch an unterschiedlich substituierten Methylchlorsilanen. So werden beispielsweise vier Methylgruppen an ein Siliciumatom gebunden, drei Methylgruppen und ein Chloratom und so weiter. Insgesamt entstehen die folgenden Reaktionsprodukte:

  • Methyltrichlorsilan CH3SiCl3
  • Dimethyldichlorsilan (CH3)2SiCl2
  • Trimethylchlorsilan (CH3)3SiCl
  • Tetramethylsilan (CH3)4Si
  • Tetrachlorsilan SiCl4

Diese werden über eine fraktionierte Destillation aufgetrennt. In einem daran anschließenden, säurekatalysierten Hydrolyseschritt werden die Chloratome durch Hydroxygruppen ersetzt und es bilden sich reaktive Silanole. Diese reagieren direkt zum gewünschten Silikon weiter, zum Beispiel zu Poly(dimethyl)siloxan.

Silikon Verwendung

Silikon findet sich in einer Vielzahl an Produkten in seinen verschiedenen Formen als Silikonöl, Silikongummi oder Silikonharz. Da es physiologisch unbedenklich ist, kann es in nahezu jedem Bereich des täglichen Lebens eingesetzt werden.

Flüssiges Silikon Verwendung

Silikonöle werden aufgrund ihrer hydrophoben Eigenschaften gerne als Trennmittel oder Gleitmittel eingesetzt. Hier findet man sie als:

  • Hydraulikflüssigkeit
  • Schmiermittel in Kunststoffgetrieben
  • Dämpfungsmateriel (Silikonöl ist sehr kompressibel)
  • Entschäumer

Silikonöle haben eine schaumhemmende Wirkung. Als Entschäumer werden sie überall dort eingesetzt, wo eine Schaumbildung verhindert werden soll. Dies können Fermenter- oder Destillationsanlagen sein.

Silikon in Medizin, Pharma- und Lebensmittelindustrie

Silikonkautschuk wird sehr gerne in der Medizin-, Pharma- und Lebensmittelindustrie eingesetzt, da es neben seiner Elastizität und Wärmebeständigkeit vor allem physiologisch unbedenklich ist. Silikon dient als Grundlage zur Herstellung von

  • Silikonschläuchen
  • Implantaten
  • Herzschrittmacher
  • Herzklappen

Die Zahnmedizin nutzt flüssige Kautschuke auf der Basis von Silikon, um Abdrücke und Formen herzustellen. Sie dienen als Implantate oder als Füllungen.

Silikon in der Kosmetikindustrie

Silikonöle bilden die Grundlage für eine Vielzahl an Salben in Kosmetik und Medizin und sind Bestandteil von Hautschutz- und Haarpflegemitteln. Sie werden außerdem als Trägersubstanz für Deodorants und andere Körperpflegemittel eingesetzt.

Silikon in der Bauindustrie

Flüssigkautschuk wird in der Bauindustrie gerne als Fugen- und Abdichtmittel verwendet. Silikonharze sind Bestandteile von vielen Fassadenbeschichtungen und Lacken. Zudem wird Silikon als Schutz für die verschiedensten Bau- und Hausteile eingesetzt.

Silikon in der Elektroindustrie

Kabel mit Ummantelungen aus Silikonkautschuken werden in Leiterdrähten von Mittel- und Hochspannungskabeln verwendet. Andere Einsatzbereiche sind Heizdrähte oder Motorleitungen.

Schließlich werden Silikongele oder Silikonkautschuke auf Computerchips aufgebracht. Hier dienen sie dazu, die Schaltungen vor Feuchtigkeit oder anderen Einflüssen von außen zu schützen.

Sonstige Verwendung von Silikon

Produkte auf der Basis von Silikon sind hydrophob, also wasserabweisend. Diese Eigenschaft nutzt die Textilindustrie, um ihre Stoffe zu imprägnieren. Die Papierindustrie wiederum macht sich diesen Vorteil zu nutze, um beispielsweise Trennettiketten herzustellen.

Schließlich findet sich Silikon als Bestandteil von Dichtungen und Dämpfungsmaterialien.

Quellen:
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/stufen/polykondensation/silicone/silicon.vlu.html
https://de.wikipedia.org/wiki/Silikone#Silikonkautschuk_und_Silikonelastomere
https://www.wacker.com/cms/media/publications/downloads/6415_DE.pdf