Glossar

SI - Silikon-Kautschuk (Versilic®, THOMASIL-Reichelt Chemietechnik)

Silikon-Kautschuk

andere Bezeichnungen: Silicone Rubber; Poly-Dimethylsiloxane Rubber; Silicone; Silikon

Kurzbezeichnung: SI (auch SIR)

CAS-Nr.: 63394-02-5

Wichtige Handelsnamen und Markeneigner

BAYSILONE^® GE Bayer Silicones
CENUSIL^® Wacker Chemie AG
DOW CORNING^® Dow Corning Corp.
ELASTOSIL^® Wacker Chemie AG
LUNSIL^® Wacker Chemie AG
POWERSIL^® Wacker Chemie AG
SEMICOSIL^® Wacker Chemie AG
SILMIX^® Wacker Chemie AG
SILOPREN^® Momentive Performance Materials Inc.
SILPURAN^® Wacker Chemie AG
THOMASIL Reichelt Chemietechnik
XIAMETER^® Dow Corning Corp.

Geschichtliches

Das chemische Element Silizium (Si), das nächst schwerere Homologe des Kohlenstoffs im Periodensystem der Elemente von Mendeleev, wurde 1787 von dem französischen Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1793) entdeckt. Als einer der wesentlichen Bausteine der unbelebten Natur, als unabdingbarer Bestandteil von Gesteinen und von vielen Mineralen, ist Silizium mit einem Anteil von 28,5 % das zweithäufigste chemische Element der festen Erdkruste nach Sauerstoff. Mit ihm hatte sich schon der schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius (1779 – 1848) intensiv beschäftigt. Seine Forschungsergebnisse blieben jedoch ebenso, wie die seiner Fachgenossen, zu denen die beiden Franzosen Joseph Louis Gay-Lussac (1778 – 1850) und Louis Jacques Thénard (1777-1857) sowie der Schotte Thomas Thomsen (1773 – 1852) zählen, der 1831 für das Halbmetall den Namen Silicon vorschlug, nur von akademischem Interesse.
Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts rückte allmählich die Chemie des chemischen Elements Nr. 14 im Mendeleev’schen System, des Siliziums, wieder in den Fokus der chemischen Forschung. Ein Pionier jener Zeit war der deutsche Chemiker und spätere Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Chemie in Berlin, Alfred Stock (1876 – 1946), der seit 1909 an der TU in Breslau über Silizium-Wasserstoff-Verbindungen gearbeitet hatte. Währenddessen gelang dem englischen Chemiker Frederic Stanley Kipping (1863-1949), der zwischen 1897 und 1936 als Professor für Chemie am University College Nottingham wirkte, als erstem die Synthese von organischen Silizium-Verbindungen, den Poly-Organosiloxanen. Die teils öligen, teils elastischen oder auch harzartigen Syntheseprodukte, für die sich der Engländer keine sinnvolle Nutzung vorstellen konnte, nannte er Silicon-Ketones.
Ende der 1920er Jahre begann sich die Industrieforschung auf der Suche nach Alternativen für Naturkautschuk für Kippings und anderer frühe Arbeiten zur Chemie des Siliziums zu interessieren. Ziel war es, ein geeignetes, im Industriemaßstab rentabel zu gewinnendes Ausgangsprodukt für siliziumbasierte Elastomere zu finden. Schließlich gelang den beiden Chemikern, dem Deutschen Richard Gustav Müller (1903-1999) in der Chemischen Fabrik v. Heyden AG in Radebeul bei Dresden und dem US-Amerikaner Eugene George Rochow (1909-2002) bei General Electric mit der um 1940 nachweislich unabhängig voneinander entwickelten Synthese für Chlormethylsilane der Durchbruch für die künftige Silikon-Produktion. Sie wurde bereits 1945 von dem US-Chemieunternehmen Dow Corning Corp. aufgenommen.
Die Arbeiten von Richard Gustav Müller wurden bedingt durch den Zweiten Weltkrieg erst 1946 öffentlich. Er hatte danach maßgeblichen Anteil an der Etablierung der Silikonchemie in der DDR. 1952 wurde Müller mit der Leitung des gerade erst gegründeten VEB Silikonchemie Nünchritz betraut, wo 1963 die Silikon-Kautschukproduktion aufgenommen wurde. Im Jahre 1954 wurde er zum Direktor des Industrie-Instituts für Silikon- und Fluorcarbonchemie an der damaligen Technischen Hochschule Dresden (heute Technische Universität) berufen, das er bis 1972 leitete. Nach der politischen Wende wurde der volkseigene Betrieb in Nünchritz zunächst von der Hüls-Gruppe übernommen, 1998 folgte die Übernahme durch die Wacker Chemie AG.
Das für die Silikonproduktion grundlegende Syntheseverfahren zur Gewinnung von Chlormethylsilanen ist als Müller-Rochow-Synthese in die Chemiegeschichte eingegangen. 1992 wurden Richard Gustav Müller und Eugene George Rochow für ihre Arbeiten mit der Ehrendoktorwürde der TU Dresden geehrt.

Allgemeine Beschreibung

Organische Poly-Siloxane, kurz Silikone, stellen eine eigene, kaum noch übersehbare, chemische Stoffklasse dar. Sie reicht in Abhängigkeit von Molekülgröße und Vernetzung sowie Art der Liganden von Silikon-Ölen über Silikon-Elastomere einschließlich Silikon-Kautschuk, bis zu festen Silikon-Harzen.
Silikone sind durch die alternierende Anordnung von Silizium- und Sauerstoff-Atomen im Makro-Molekül charakterisiert, wie das nachstehende Formel-Grundschema zeigt:

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Jeder der hier mit R bezeichneten Liganden kann sowohl für ein Proton (Wasserstoffatom) als auch für Alkyl- oder Arylgruppen stehen. Unter bestimmten Reaktionsbedingungen, die eingestellt werden können, vernetzten sich Siloxaneinheiten miteinander zu zwei- und dreidimensionalen, elastomeren Makromolekülen, dem Silikon-Kautschuk.

Verarbeitung und Verwendung

Ein wesentlicher Anteil an der Gesamtproduktion von Silikonen entfällt auf die Gewinnung von Silikon-Kautschuk in unterschiedlichen, dem jeweiligen Anwendungszweck angepassten Qualitäten. Daher haben sie vielfältige Einsatzbereiche gefunden, vor allen als chemisch weitgehend inerte Silikon-Schläuche für die Förderung von Flüssigkeiten im chemischen Labor, in der Lebensmittelindustrie sowie in der Bio- und Medizintechnik und in Pharmabereichen, aber auch als thermostabile Elektroisolationen und als elastisches Dichtungsmaterial. Hingegen zeigt Silikon-Kautschuk eine sehr hohe Gaspermeabilität, insbesondere für Kohlendioxid (CO2). Deshalb sind Silikon-Schläuche zur Förderung von Gasen ungeeignet. Sie können jedoch für Begasungen von Flüssigkeiten eingesetzt werden. Hochreiner Silikon-Kautschuk, der absolut frei von niederen Polymeren sein muss, wird schließlich für die Herstellung schönheitschirurgischer und anderer medizinischer Implantate verwendet.

Chemische Eigenschaften

Silikon-Kautschuk ist der Sammelname für eine Vielzahl von Elastomeren auf der Basis von Poly-Organo-Siloxanen. Zu den wichtigsten Siloxan-Grundtypen gehören neben Poly-Dimethyl-Siloxanen (1) auch Poly-Methyl-Phenyl-Siloxane (2) und Poly-Methyl-Vinyl-Siloxane (3).

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Die Polymerisation der Monomere läuft in mehreren Schritten ab, wie dieses am nachfolgenden Beispiel von Dimethylsilan verdeutlicht werden soll:
Dimethylsilan bildet durch Kondensation, d.h. Wasseraustritt, kettenförmige Polymere

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Indem sich dieser Vorgang fortlaufend wiederholt, entstehen kettenförmige Polymere der Länge n +2, bezogen auf die Zahl der Siliziumatome:

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Diese linearen Polymere wachsen weiter zu zwei und dreidimensionalen Polymeren, wenn in der Kette freie Hydroxylgruppen als Liganden verfügbar sind. Das wird durch Zusatz entsprechender Silane zum Syntheseansatz, z.B. von Monomethylsilan

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erreicht. Der Vorgang wird durch die Kappung der reaktiven OH-Gruppen beendet, in diesem Beispiel durch Methylierung der beiden endständigen OH-Gruppen:

chem-Formel-SI7

Sofern für bestimmte Silikon-Kautschuk-Produkte die Regulierung der Konsistenz erforderlich ist, finden niedermolekulare Silikone als Weichmacher Anwendung. Durch Zuschlag von feindispersen Silziumdioxid (“Kieselsäure“) wird die Festigkeit und Maßhaltigkeit von Silikon-Kautschuk erhöht.
Generell sind alle Silikon-Kautschuk-Typen chemisch, mechanisch und thermisch sehr stabile Elastomere. Sie gelten außerdem als physiologisch unbedenklich.
Die konkreten chemischen Zusammensetzungen der industriell angebotenen Silikon-Kautschuke sind indes kaum bekannt. Doch ihre Kenntnis ist für deren Einsatz insofern ohne Bedeutung, da heute jeder Silikon-Kautschuk-Typ ein erprobtes Spezialprodukt für einen jeweils wohldefinierten Anwendungszweck darstellt und diesem gemäße chemische und technische Eigenschaften aufweist

Technische Daten
Wegen der großen chemisch-technischen Diversität von Silikon-Kautschuk sind konkrete Qualitätsangaben hier nicht möglich. Nachstehende Angaben beziehen sich auf THOMASIL-Produkte von Reichelt-Chemietechnik. Sie sind als Richtwerte zur Orientierung zu betrachten.
allgemeine Eigenschaften
Farbe	gelblich-transparent, beliebig einfärbbar
Dichte	1,19 g / cm³

thermische Eigenschaften
Einsatztemperaturbereich
dauerhaft	-60 bis +230 °C
kurzzeitig	bis +350 °C
Versprödungstemperatur	unter -65 °C
Heißdampfbeständigkeit	bis +140 °C
Wärmeleitfähigkeit	0,1 bis 0,3 W / m ∙ K

elektrische Eigenschaften
Durchschlagfestigkeit	≥ 18 KV / mm (VDE 0303)
Durchgangswiderstand	10¹⁵ Ohm x cm (VDE 0303)
Dielektrizitätskonstante (bei 50 Hz)	3,0 (DIN 53482)

mechanische Eigenschaften
Shore-Härte A	60° ± 5
Reißdehnung	250 % bis 300 % ( DIN 53504)
Reißfestigkeit	5 MPa (DIN 53504)
Druckverformungsrest	30 % bei +150 °C / 24 h

chemische Beständigkeit
Alkohole	bedingt beständig
Ketone	bedingt beständig
aliphatische Kohlenwasserstoffe	beständig
aromatische Kohlenwasserstoffe	beständig
Treibstoffe	beständig
Säuren	beständig
Laugen	beständig
Heißwasser und Wasserdampf	beständig
UV-Strahlung und Witterung	beständig

Weiterführende Literatur

1.) A. Stock, C. Somieski, Siliciumwasserstoffe VI.: Chlorierung und Methylierung des Monosilans. In: Chemische Berichte Vol. 52, S. 710 ff [1919]

2.) R. Müller, Über Silicone. In: Chemische Technik, Nr. 1 , S. 7 ff [1950] sowie Chemische Technik Nr. 2, S. 41 ff [1950]

3.) W. Noll, Zur Chemie und Technologie der Silicone. In: Angewandte Chemie Vol. 66 (2), S. 41 ff [1954]

4.) R. Schliebs, J. Ackermann, Chemie und Technologie der Silicone I . In: Chemie in unserer Zeit, Vol. 21 (4), 121 ff [1987], ISSN 1521-3781

5.) J. Ackermann, V. Damrath, Chemie und Technologie der Silicone II . In: Chemie in unserer Zeit, Vol. 23 (3), 86 ff [1989], ISSN 1521-3781

6.) E. R. Rochow, Silicium und Silicone, Springer Verlag [1991], ISBN 978-3-540-52927-9

7.) C. Pop, Herstellung von monodispersen Polydimethylsiloxan-Netzwerken und Charakterisierung der Mikrostruktur und der Permeationseigenschaften, Dissertation Universität Würzburg, Fakultät für Chemie und Pharmazie [2006]