Silikon

Nicht zu verwechseln mit dem Element Silizium.

Silikondichtmasse kann als Basisabdichtung gegen das Eindringen von Wasser und Luft verwendet werden.

Selbstnivellierendes Silikondichtungssystem, das um Kupferrohre herum verwendet wird, die in einen Betonboden mit zweistündigem Feuerwiderstand eindringen.

Silikone (genauer: polymerisierte Siloxane oder Polysiloxane) sind gemischte anorganisch-organische Polymere. Ihre allgemeine chemische Formel kann als n geschrieben werden, wobei R für eine organische Gruppe wie Methyl, Ethyl oder Phenyl steht. Durch Variation der Zusammensetzung und der Molekülstrukturen können Silikone mit einer Reihe von Eigenschaften hergestellt werden. Sie können in ihrer Konsistenz von Flüssigkeit über Gel und Gummi bis hin zu hartem Kunststoff variieren. Das häufigste Siloxan ist Polydimethylsiloxan (PDMS), ein Silikonöl. Die zweitgrößte Gruppe von Silikonen basiert auf Silikonharzen.

Die verschiedenen Arten von Silikonen sind für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt worden. Sie werden zum Beispiel als Dichtungsmittel, Formen, Schmiermittel, Lösungsmittel für die chemische Reinigung, elektrische Isolatoren und Schutzmaterial für elektronische Bauteile verwendet. Sie sind auch in einigen Feuerschutzmitteln, Körperpflegeprodukten und Hörgeräten enthalten. Ihre Verwendung in Brustimplantaten und Kernreaktorgebäuden hat jedoch Kontroversen ausgelöst.

Chemische Struktur und Terminologie

Chemische Struktur von Polydimethylsiloxan (PDMS).

Silikon wird oft fälschlicherweise als „Silizium“ bezeichnet. Obwohl Silikone Siliziumatome enthalten, bestehen sie nicht ausschließlich aus Silizium und haben völlig andere physikalische Eigenschaften als elementares Silizium.

Das Wort „Silikon“ leitet sich von Keton ab. Dimethylsilikon und Dimethylketon (Aceton) haben analoge chemische Formeln, daher wurde (fälschlicherweise) vermutet, dass sie analoge Strukturen haben. Bei einem Acetonmolekül (oder jedem anderen Ketonmolekül) besteht eine Doppelbindung zwischen einem Kohlenstoffatom und einem Sauerstoffatom. Ein Silikonmolekül hingegen enthält keine Doppelbindung zwischen einem Siliciumatom und einem Sauerstoffatom. Chemiker haben herausgefunden, dass das Siliziumatom eine Einfachbindung mit jedem der beiden Sauerstoffatome bildet, anstatt eine Doppelbindung mit einem einzelnen Atom.

Polysiloxane werden aufgrund früherer falscher Annahmen über ihre Struktur „Silikone“ genannt. Sie bestehen aus einem anorganischen Silizium-Sauerstoff-Grundgerüst (…-Si-O-Si-O-Si-O-…) mit organischen Seitengruppen, die an die Siliziumatome gebunden sind (siehe die Abbildung, die die Struktur von Polydimethylsiloxan zeigt). In einigen Fällen können organische Seitengruppen verwendet werden, um zwei oder mehr dieser -Si-O-Ketten miteinander zu verbinden.

Durch Variation der -Si-O-Kettenlänge, der Seitengruppen und der Vernetzung kann eine Vielzahl von Silikonen synthetisiert werden. Das gebräuchlichste Siloxan ist das lineare Polydimethylsiloxan (PDMS), ein Silikonöl (siehe die in der Abbildung gezeigte Struktur). Die zweitgrößte Gruppe der Siliconmaterialien basiert auf Siliconharzen, die aus verzweigten und käfigartigen Oligosiloxanen gebildet werden.

Synthese

Silicone werden aus Chlorsilanen, Tetraethoxysilan und verwandten Verbindungen synthetisiert. Im Falle von PDMS ist das Ausgangsmaterial Dimethylchlorsilan, das mit Wasser wie folgt reagiert:

n + n → n + 2n HCl

Bei der Polymerisation entsteht bei dieser Reaktion potenziell gefährliches Chlorwasserstoffgas. Für medizinische Zwecke wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem die Chloratome in der Silanvorstufe durch Acetatgruppen ersetzt wurden, so dass das Reaktionsprodukt des abschließenden Härtungsprozesses ungiftige Essigsäure (Essig) ist. Als Nebeneffekt ist der Aushärtungsprozess in diesem Fall auch viel langsamer.

Silanvorläufer mit mehr säurebildenden Gruppen und weniger Methylgruppen, wie z. B. Methyltrichlorsilan, können verwendet werden, um Verzweigungen oder Vernetzungen in die Polymerkette einzuführen. Im Idealfall wird jedes Molekül einer solchen Verbindung zu einer Verzweigungsstelle. Auf diese Weise lassen sich harte Silikonharze herstellen. In ähnlicher Weise können Vorläufer mit drei Methylgruppen zur Begrenzung des Molekulargewichts verwendet werden, da jedes dieser Moleküle nur eine reaktive Stelle hat und somit das Ende einer Siloxankette bildet.

Moderne Siliconharze werden mit Tetraethoxysilan hergestellt, das milder und kontrollierbarer reagiert als Chlorsilane.

Eigenschaften

Zu den nützlichsten Eigenschaften von Silikon gehören:

1. Thermische Stabilität (Konstanz der Eigenschaften über einen weiten Betriebsbereich von -100 bis 250°C)
2. Fähigkeit, Wasser abzustoßen und wasserdichte Dichtungen zu bilden
3. Hervorragende Beständigkeit gegen Sauerstoff, Ozon und Sonnenlicht
4. Flexibilität
5. Elektrisch isolierend oder leitfähig, je nach Struktur und Zusammensetzung
6. Antiadhäsiv
7. Geringe chemische Reaktivität
8. Geringe Toxizität
9. Hohe Gasdurchlässigkeit

Silikonkautschuk

Ein flexibles, gummiartiges Polysiloxan ist als Silikonkautschuk bekannt. Er kann zu Schläuchen, Streifen, festen Schnüren und kundenspezifischen Profilen extrudiert werden. Es bietet eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber extremen Temperaturen und ist gegenüber den meisten Chemikalien sehr inert. Organischer Kautschuk mit einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Grundgerüst ist im Allgemeinen anfällig für Ozon, UV-Strahlung, Hitze und andere Alterungsfaktoren. Silikonkautschuk hingegen kann den Auswirkungen dieser Faktoren widerstehen und ist daher das Material der Wahl in vielen extremen Umgebungen. Aufgrund seiner Trägheit wird es in vielen medizinischen Anwendungen eingesetzt, einschließlich medizinischer Implantate.

Viele Spezialtypen von Silikonkautschuk haben diese Eigenschaften: elektrische Leitfähigkeit, geringe Rauchentwicklung, Flammwidrigkeit, Glühen im Dunkeln und Beständigkeit gegen Dampf, Gase, Öle, Säuren und andere Chemikalien.

Verwendungen von Silikon

Material für den Formenbau

Zwei-Komponenten-Silikonsysteme werden zur Herstellung von Gummiformen verwendet, die für den Produktionsguss von Harzen, Schaumstoffen, Gummi und Niedrigtemperaturlegierungen eingesetzt werden können. Eine Silikonform erfordert im Allgemeinen wenig oder keine Formtrennung oder Oberflächenvorbereitung, da die meisten Materialien nicht am Silikon haften.

Dichtstoffe

Einteilige Silikondichtstoffe werden häufig zum Abdichten von Spalten, Fugen und Ritzen in Gebäuden verwendet. Diese Silikone härten durch Absorption von Luftfeuchtigkeit aus. Die Festigkeit und Zuverlässigkeit von Siliconkautschuk ist in der Bauindustrie weithin anerkannt.

Eine ausgezeichnete Verwendung von Siliconkautschuk sind Schiebedachdichtungen in Kraftfahrzeugen, die rauen Temperaturen und anderen Umweltbedingungen wie Ozon, UV-Licht und Verschmutzung standhalten müssen, ganz zu schweigen von den üblichen Fahrzeugreinigern, Wachsen usw..

Schmiermittel

Im Sanitär- und Automobilbereich wird Siliconfett häufig als Schmiermittel verwendet. Im Sanitärbereich wird das Fett normalerweise auf O-Ringe in Wasserhähnen und Ventilen aufgetragen. Im Automobilbereich wird Silikonfett in der Regel als Schmiermittel für Bremskomponenten verwendet, da es bei hohen Temperaturen stabil ist, in Wasser unlöslich ist und die Bremsbeläge weitaus weniger verschmutzt als andere Schmiermittel.

Kochanwendungen

Silikon wird auch in Pergamentpapier imprägniert und als Antihaftmaterial für Anwendungen wie Backen und Dünsten verwendet. Das Silikon macht das Papier außerdem hitze- und fettbeständig. Dadurch kann das Papier zum Auskleiden von Backblechen und als Ersatz für das Einfetten verwendet werden, was die Massenproduktion von Backwaren beschleunigt. Es wird auch häufig beim Kochen in Beuteln verwendet, bei dem die Zutaten in einem Behälter aus Pergamentpapier versiegelt und gedämpft werden.

Silikonkautschuk wird zur Herstellung von Utensilien (insbesondere Pfannenwender) und Backformen verwendet.

Silikonharze werden für hitzebeständiges Geschirr verwendet. Diese ähneln oft Keramikartikeln, sind aber viel weniger spröde, so dass sie gerne für Babys verwendet werden.

Elektrische und elektronische Bauteile

Zündkerzenkabel für Autos sind oft durch mehrere Schichten Silikon isoliert. Außerdem werden elektronische Bauteile manchmal vor Umwelteinflüssen geschützt, indem sie mit Silikon ummantelt werden. Dies erhöht ihre Stabilität gegen mechanische Stöße, Strahlung und Vibrationen. Silikone werden der Polyurethan- oder Epoxidverkapselung vorgezogen, wenn ein breiter Betriebstemperaturbereich erforderlich ist (-150 bis 600°F). Silikone haben außerdem den Vorteil, dass sie beim Aushärtungsprozess nur wenig Wärme entwickeln, wenig toxisch sind, gute elektrische Eigenschaften haben und hochrein sind. Daher werden sie verwendet, wenn Haltbarkeit und hohe Leistung von Bauteilen unter anspruchsvollen Bedingungen erforderlich sind, wie z. B. bei Satelliten im Weltraum.

Silikon-Brustimplantate

In den 1980er und 1990er Jahren entwickelte sich eine Kontroverse um die Behauptung, dass das Silikongel in Brustimplantaten für eine Reihe von systemischen Gesundheitsproblemen, einschließlich Autoimmunkrankheiten und Krebs, verantwortlich sei. Mehrere Klagen, in denen Verletzungen durch Implantate geltend gemacht wurden, führten 1998 zum Konkurs von Dow Corning und zu einem Moratorium für die Verwendung von Silikonimplantaten zur Brustvergrößerung in den USA und Kanada, bis eine Studie vorliegt. Mehrere Studien und Expertengremien, die seither weltweit durchgeführt wurden, sind jedoch durchweg zu dem Schluss gekommen, dass bei Frauen mit Silikonbrustimplantaten das Risiko einer systemischen Erkrankung nicht höher ist als bei Frauen ohne Brustimplantate. Im Jahr 2006 haben sowohl Health Canada als auch die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) ähnliche Positionen wie andere Länder eingenommen und die Verwendung von Silikonimplantaten für kosmetische Brustvergrößerungen in ihren jeweiligen Ländern zugelassen.

Feuerschutzabdeckungen

Fehlerhafte Sakno-Silikonschaum-Feuerschutzabdeckung in der Kläranlage von Calgary in den 1980er Jahren, die zur Abdichtung der Öffnung über einer Brandschutztür in einer Brandschutzabtrennung aus Gussbeton verwendet wurde.

Bei ordnungsgemäßer Installation können Silikonschaum-Feuerschutzabdeckungen so hergestellt werden, dass sie den Bauvorschriften entsprechen. Zu den Vorteilen gehören Flexibilität und hohe Durchschlagsfestigkeit. Zu den Nachteilen gehören schlechte Begrenzung, Brennbarkeit (schwer zu löschen) und erhebliche Rauchentwicklung.

Silikonschäume wurden sowohl in nordamerikanischen als auch in den israelischen Dimona-Atomreaktorgebäuden verwendet, um Öffnungen in feuerbeständigen Wand- und Bodenkonstruktionen abzudichten und so die Ausbreitung von Flammen und Rauch von einem Raum zum anderen zu verhindern. Die Israelis sind auf die etwas teurere, aber viel sicherere „Elastomer“-Version dieses Produkts umgestiegen, die die meisten Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit der geschäumten Version ausräumt.

Silikonschaum-Brandschutzvorrichtungen waren Gegenstand ernsthafter Kontroversen und wurden in der Presse wegen mangelnder Begrenzung, Rauchentwicklung (während der Verbrennung einiger Komponenten im Schaum), Entweichen von Wasserstoffgas, Schrumpfung und Rissbildung thematisiert. Diese Probleme wurden von Gerald W. Brown aufgedeckt und führten zu einer großen Zahl von meldepflichtigen Ereignissen bei den Lizenznehmern (Betreibern von Kernkraftwerken) der Nuclear Regulatory Commission (NRC).

Personenpflegeprodukte

Silikone werden als Inhaltsstoffe in einigen Leave-in-Haarspülungen verwendet. Diese Formulierungen nutzen die Wasserbeständigkeit von Silikon, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit in einen trockenen Haarschaft eindringt und die Frisur ruiniert.

Menstruationstassen

Eine Menstruationstasse ist eine Art Tasse oder Barriere, die während der Menstruation in der Vagina getragen wird, um Menstruationsflüssigkeit aufzufangen. Menstruationstassen werden häufig aus Silikon hergestellt, damit sie haltbar und wiederverwendbar sind.

Hörgeräte

Silikon ist ein gängiges Material, das in Formen für Hinter-dem-Ohr-Hörgeräte verwendet wird. Es verfügt über ausgezeichnete Dichtungseigenschaften und ist daher die ideale Wahl für Patienten mit hochgradigem Hörverlust, die leistungsstarke Hörgeräte benötigen.

Trockenreinigung

Flüssiges Silikon kann als Lösungsmittel für die Trockenreinigung verwendet werden. Das von der Firma GreenEarth Cleaning patentierte Verfahren Decamethylpentacyclosiloxan (D5) wird als „umweltfreundliche“ Alternative zum herkömmlichen Lösungsmittel Perchlorethylen (oder Perc) angepriesen. Das Lösungsmittel wird zu Sand und Spuren von Wasser und CO2 abgebaut, und die bei der D5-Trockenreinigung entstehenden Abfälle sind ungiftig und ungefährlich. Dadurch werden die Umweltauswirkungen einer Branche mit hoher Umweltverschmutzung erheblich reduziert.

Zudem ist Flüssigsilikon chemisch inert, d. h. es reagiert während des Reinigungsprozesses nicht mit Stoffen oder Farbstoffen. Dies reduziert das Ausbleichen und Schrumpfen, das bei den meisten chemisch gereinigten Kleidungsstücken auftritt.

Siehe auch

• Brustimplantat
• Zahndamm
• Trockenreinigung
• Firestop
• Nuklearer Reaktor
• Pergament
• Dichtungsmittel
• Silizium

Hinweise

• Bondurant, Stuart, Virginia L. Ernster, und Roger Herdman, (eds.). 2000. Safety of Silicone Breast Implants. Washington, DC: Institut für Medizin. ISBN 0585215553.

• Clarson, Stephen J., et al., (eds.). 2007. Science and Technology of Silicones and Silicone-Modified Materials. ACS Symposium Series, 964. Washington, DC: American Chemical Society. ISBN 9780841274372.

• Koerner, G. 1991. Silicones: Chemistry and Technology. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0849377404.

• Rochow, Eugene George. 1951. An Introduction to the Chemistry of the Silicones. New York: Wiley. OCLC 58852709.

• Stewart, Mary White. 1998. Silicone Spills: Breast Implants on Trial. Westport, CT: Praeger. ISBN 0275963594.

Alle Links abgerufen am 4. November 2019.

• Flammable ‚Firestops‘ Used in CANDU Reactors. – Pressemitteilung von U.S. Representative Ed Markey’s Statements.
• Potentielle Probleme mit Siliconschaum-Brandschutzabdichtungen. – U.S. Nuclear Regulatory Commission.
• Silicones Europe. – Centre Européen des Silicones (CES).
• Die Grundlagen der Siliziumchemie. – Dow Corning.