Silikon (SI) – Die Hybride unter den Kunststoffen

Eins vorweg, Silikon darf nicht mit Silizium (englisch: Silicon) verwechselt werden. Das Element Silizium ist chemisch mit dem Kohlenstoff nahe verwandt. Es bildet als zweithäufigstes Element in der Natur mit den Silikaten eine Brücke zwischen anorganischer und organischer Chemie.

Die Zwischenprodukte für die Herstellung von Silikonen sind seit über einem Jahrhundert bekannt. In 1904 gelang es Frederick Stanley Kipping (1863 – 1949), Professor an der Universität Nottingham, Silane herzustellen, die neben organischen Alkylresten auch reaktionsfähige oder hydrolysierbare Gruppen enthielten. Auf Herrn Kipping geht auch der Name Silikon zurück, da er anfangs glaubte, ein dem Aceton analoges Siliziumderivat gefunden zu haben. Herr Kipping erkannte nicht den wirklichen Wert seiner Arbeit und bezeichnete diese in einer Vorlesung in 1937: „Der Ausblick auf einen unmittelbaren und wesentlichen Fortschritt auf diesem Gebiet der Chemie (erscheint) nicht sehr hoffnungsvoll“.

Aber schon wenige Jahre später fanden Forschergruppen bei den Corning Glass Works und bei der General Electric in den USA Wege zum Herstellen von Organochlorsilanen als Vorprodukten von Silikone. Ausgehend von diesen grundlegenden Arbeiten nahm die Wacker Chemie in Deutschland 1947 die Forschung auf dem Silikongebiet auf. Mitte der 1950-er Jahre konnten großtechnisch kaltvulkanisierbaren Silikonkautschuken hergestellt werden.

Silikone (chemisch Poly(organo)siloxane) ist eine Bezeichnung für eine Gruppe synthetischer Polymere, bei denen Siliziumatome über Sauerstoffatome verknüpft sind. Aufgrund ihres typisch anorganischen Gerüsts einerseits und der organischen Reste andererseits nehmen Silikone eine Zwischenstellung zwischen anorganischen und organischen Verbindungen ein, insbesondere zwischen Silikaten und organischen Polymeren. Sie sind in gewisser Weise Hybride und weisen ein einzigartiges Eigenschaftsspektrum auf, das von keinem anderen Kunststoff erreicht wird.

Silikone gibt es als Silikonöle, Silikonharze und Silikonkautschuke / Silikonelastomere, inkl. der Flüssigkautschuke (LSR = Liquid Silicone Rubber) und die speziellen hochtransparenten Silikone. Man unterscheidet nach der notwendigen Vernetzungstemperatur zwischen kalt- (RTV) und heißvernetzenden (HTV) Silikonkautschuken (RTV = Raumtemperatur vernetzend, HTV = Hochtemperatur vernetzend). Des Weiteren gibt es Fluorsilikone und die neuste Entwicklung seit 2004, die Silikonnanofilamente.

Silikone haben eine hervorragende Elastizität, sehr gute Fließeigenschaften, sind elektrisch isolierend und behalten die mechanischen Eigenschaften recht konstant in einem breiten Temperaturspektrum. Für viele Anwendungen der Silikone spielt die hohe thermische Stabilität der Silizium-Kohlenstoff-Bindung eine entscheidende Rolle: Silikonharze und Silikonkautschuke können Dauerwärmebeständigkeiten bis 200 °C erreichen. Dieses breite Eigenschaftsprofil der Silikone ermöglichte eine rasante Entwicklung am Weltmarkt, dabei entfällt der größere Teil der erzeugten Menge bis heute auf Silikonelastomere.

Anwendungsbereiche für Silikon:

  • Bau & Konstruktion – Hydrophobier-Mittel für Glas & Keramik, Dämpfstoffe, Dichtungsmittel, Bindemittel für Lackfarben, Bautenschutzmittel,
  • Elektrik & Elektrotechnik – elektrische Isolierstoff, Pumpenöl, Schutzpasten
  • Mobilität & Transport – Additive in Dieselkraftstoff, Drehmomentübertragung in Visco-Kupplungen, Schmiermittel, Hydrauliköle, Dichtungen, Schläuche
  • Wohnung & Haushalt – Backform, Küchenhilfen, Schnuller, Leitungen
  • Optik – Linsen, LEDs
  • Gesundheitswesen – Implantate, Bestandteil Kosmetika, Salbengrundlagen, Zahn-Abformmassen
  • Sonstiges – Gleitmittel für Kunststoffverarbeitung, Massageöle, Herstellung von Negativformen, Materialien beim 3D-Druck für Prototypherstellung

Durch Zugabe von Konsistenzreglern und Füllstoffen lassen sich aus den Silikonflüssigkeiten Silikonpasten bzw. Silikonfette herstellen. Zur Erzeugung von Pressmassen und Laminaten werden Silikonharze mit geeigneten Füllstoffen wie Glasfasern, Quarzmehl, Glimmer usw., ggf. auch Farbpigmenten abgemischt.

Die Produkte der HPF The Mineral Engineers bieten vielfältige Möglichkeiten zur Verbesserung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Zudem erlauben sie eine gute bis sehr gute Einfärbbarkeit des Elastomers. Quarz und Cristobalit sind inert und aufgrund ihrer Struktur im Gegensatz zum nadelförmigen Wollastonit und plättchenförmigen Kaolin eher rund und kompakt.

Bei den Silikonen für Dental-Abformmassen werden bevorzugt Quarz- und Cristobalit Feinstmehle und deren silanisierte Varianten mit einem sehr niedrigen Anteil an Grobpartikeln verwendet. Die richtige Auswahl der Füllstoffe ermöglicht einen sehr hohen Füllgrad bei gewünschter Viskosität der Abformmassen. Hierdurch kann eine größtmögliche Präzision des Abdruckes durch eine Minimierung der Reaktionsschwindung realisiert werden. Das sehr weiße Cristobalit erlaubt eine exzellente Einfärbbarkeit und die gewünschte Elastizität bzw. Shore-Härte der Abformmassen.

Für Dichtungen und Kabel findet hauptsächlich Quarz Anwendung. Durch den Einsatz dieses Füllstoffes kann auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Silikonteils gezielt Einfluss genommen werden (z.B. Erhöhung des elektrischen Isolationsverhaltens). Die Oberflächenbehandlung des Füllstoffes sorgt für eine niedrige Viskosität während der Verarbeitung des Silikons.

Die weichen Elastomere eignen sich vor allem für die Verbindung von warmen oder sogar heißen elektronischen Komponenten auf Kühlkörpern oder Leiterplatten mit angrenzenden Metallgehäusen. Für solche sogenannte TIM-Anwendungen (Thermal Interface Material) aus wärmeleitenden Silikon-Vergussmassen sind geeignete, spezielle Hochleistungsfüllstoffe verfügbar.

Wichtige Quarzwerke Produkte für Silikon: SIKRON®, SILBOND®, SILATHERM®

Weitere Informationen dazu finden Sie auf der Homepage

Der nächste Blog-Artikel „Füllstoffe in Kunststoffen“ beschäftigt sich mit Fluorkautschuk (FKM).

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