Aufbau, Herstellung und Verwendung von Siliconen

Inhalt:

1. Ausgangsstoffe
1.1. Grignard-Reaktion zur Herstellung der Ausgangsstoffe
1.2. Rochow-Synthese zur Herstellung der Ausgangsstoffe

1. Herstellung von Siliconen
2.1. Der Reaktionsmechanismus
2.2. Produkte aus verschiedenen Chlorsilanen und deren Mischungen

2. Einsatzgebiete und Eigenschaften der Silicone
2.1. Allgemeine Eigenschaften der Silicone
2.2. Einsatzgebiete der Silicone

1.Ausgangsstoffe

Der wichtigsten zur Herstellung von Siliconen (Polysiloxanen) benötigten Ausgangsstoffe sind die Chloralkylsilane. Es gibt sie als:

- Trialkylmonochlorsilane
- Dialkyldichlorsilane
- Monoalkyltrichlorsilane
- Tetrachlorsilane

Die enthaltenen Alkyle sind in erster Linie "kleine" Alkyle wie z.B. Methyl-, Ethyl-, Propyl- und Butylgruppen. Es finden aber auch andere Alkyle und organische Verbindungen ihre Verwendung, da die Eigenschaften des Silicons auch von der organischen Gruppe abhängen.

Um jedoch diese Silane zu erhalten, gibt es 2 bedeutende Verfahen¹: Die Grignard-Reaktion und die Rochow-Synthese.

1.1. Die Grignard-Reaktion

Bei der Grignard-Reaktion wird Tetrachlorsilan mit Magnesiumalkylchlorid zur Reaktion gebracht. Je nach Mischungsverhältnissen und den Reaktionsbedingungen entstehen daraus dann Mono-, Di- oder Trialkylchlorsilane.

Beispiel:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.2. Die Rochow-Synthese

Bei der Rochow-Synthese wird elementares Silicium bei ca. 250-300°C und Kupfer als Katalysator mit Chloralkylen zur Reaktion gebracht.

Beispiel:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es können verschiedene Chloralkyle verwendet werden, wobei es noch Varianten des Rochow-Verfahrens gibt, die sich besser für größere Alkyle eignen.

2. Herstellung von Siliconen

2.1. Der Reaktionsmechanismus

Wichtig bei der Herstellung von Siliconen sind die Chlorionen der Ausgangsstoffe (Silane). Sie werden bei einer Hydrolysereaktion gegen Sauerstoff ausgetauscht. Daher bezeichnet man das Chlor hier als funktionelle Gruppe.

Zur Herstellung werden die Chlorsilane mit Wasser bei einer Hydrolyse umgesetzt.

Bei der Hydrolyse reagiert ein Wassermolekül mit einem Alkylchlorsilan. Es entsteht dabei Salzsäure und ein Alkylchlorsilanol. Die entstandene Hydroxidgruppe polymerisiert dann mit weiteren Alkylchlorsilanen zu einem Polysiloxan. Es entsteht wiederum Salzsäure. Diese Reaktion lauft dann weiter und wird durch die Menge an mono-, bi-, und trifunktionellen Silanen (also durch die Menge an mono-, di- und triolen) bestimmt und stoppt, wenn weitestgehend alle Chlorionen ausgetauscht sind und alle OH Gruppen reagiert haben. Polymerisationstypisch handelt es sich um eine Polykondensation an den OH-Gruppen. Es ist offensichtlich, dass bei einer Reaktion in der nur Monochlorsilane vorhanden sind nur eine Verdopplung der Siloxane kommen kann. Es entsteht dann z.B. Hexamethyldisloxan.

Reaktionsschritte: Am Beispiel Dimethyldichlorsilan

1.Das Silan wird zu Silanol hydrolysiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3. Das Chlorsilan reagiert nun weiter mit Wasser, wobei weitere OH-Gruppen entstehen. Die Reaktion kann dann weiter ablaufen, bis weitestgehend alle Chlorionen und OH-Gruppen verbraucht sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit diesem Verfahren kann man theoretisch alle Arten von Siliconen herstellen. In der Praxis muss man jedoch, um z.B. bi- und trifunktionelle Silane in gewünschte Endproduke zu wandeln, Umwege in Kauf nehmen, da sich nicht immer die gewünschten Produkte direkt erhalten lassen.

Die Besonderheit der Silicone liegt in der Festigkeit der Silizium-Sauerstoff-Verbindungen. Diese Bindung ist für einige Eigenschaften der Silicone verantwortlich (siehe 3.1.).

2.2. Produkte aus verschiedenen Chrlorsilanen

Verbindungen mit ü berwiegendem Einsatz von monofunktionellen Silanen (Verbindungen mit Silanolen)

Die Eigenschaften des entstehenden Silicons werden maßgeblich durch die eingesetzten Alkylchlorsilane beeinflusst. Wenn man z.B. nur monofunktionelle Silane einsetzt, so ist es vorherzusehen, dass das Produkt auf Grund der einzigen Bindungsmöglichkeit nur ,,verdoppelt" und daher nur ein Öl sein kann (siehe 2.1.).

Wenn man geringe Mengen von mehrfunktionellen Silanen in die Reaktion einbringt, so kann man zwar bereits kurze Ketten erhalten, diese werden jedoch nie mehr als 3 Bausteine hintereinander überschreiten. Man könnte also weiterhin nur Öle erzeugen, die jedoch bereits z.B. dickflüssiger (viskoser) währen.

Verbindungen mit ü berwiegendem Einsatz von bifunktionellen Silanen (Verbindungen mit Silandiolen)

Wenn man nur bifunktionelle Silane einsetzt, so können sich nur lange Ketten ausbilden.

Diese langen Ketten besitzen keine Verzweigungsmöglichkeiten; die Eigenschaften entsprechen also am ehesten einem Thermoplasten. Die thermoplastischen Eigenschaften sind durch die spezifischen Eigenschaften der Silizium-Sauerstoff-Verbindungen jedoch nicht so ausgebildet. Man darf schließlich nicht vergessen, dass es sich nicht um einen typischen Kunststoff handelt! Es dürfte sich also hierbei um einen elastischen, dehnbaren, hitzebeständigen und festen Stoff handeln. Unter Verwendung von monofunktionellen Silanen ergibt sich dann eine geringere Kettenlänge, die sich durch die Menge der Zugabe variieren lässt. Wenn die Menge der zugegebenen monofunktionellen Silane groß wird, so können bereits wieder Öle entstehen.. Bei Zugabe von tri- und tetrafunktionellen Silanen können sich bereits Vernetzungen ergeben. Um so weiter man also die Menge der tri- und tetrafunktionellen Gruppen erhöht, umso vernetzter und damit fester kann das Polysiloxan werden. Die Stoffe erreichen dann elastomerische Eigenschaften, sind enorm flexibel, dehnbar und wärmebeständig. Diese Art von Siliconen ist die am häufigsten verwendete.

Verbindungen mit ü berwiegendem Einsatz von trifunktionellen Silanen (Verbindungen mit Silantriolen)

Bei der reinen Verwendung von trifunktionellen Silanen kann sich eine starke räumliche Vernetzung ausbilden, die den Stoff bereits wieder unflexibel macht. Die Mischprodukte mit bifunktionellen Silanen werden daher öfter verwendet, um duroplastische Eigenschaften zu erhalten. Es handelt sich also um mäßig flexible aber sehr hitzebeständige Stoffe.

Verbindungen mit ü berwigendem Einsatz von tetrafunktionellen Gruppen (Verbindungen mit Silantetraolen)

Die Stoffe die unter reinem Einsatz von tetrafunktionellen Silanen entstehen, kann man nicht mehr als Silicone im eigentlichen Sinne auffassen, da diese Verbindungen bereits unübliche Eigenschaften aufweisen. So zum Beispiel besteht Glas zu Teilen aus SiO44- und weiteren Stoffen, wie Metallen. Man kann tetrafunktionelle Silane jedoch zur Reaktion hinzufügen, um die Eigenschaften von anderen Silanen zu verändern.

Entstehende Strukturen der Silicone

Außer den bisher erwähnten kettenförmigen und vernetzten Siliconen können auch Siliconringe entstehen. Sie entstehen aus Silandiolen und können aus bis zu 9 Monomeren bestehen.

3. Einsatzgebiete und Eigenschaften der Silicone

3.1. Allgemeine Eigenschaften der Silicone

Silicone kennt man aus verschiedenen Anwendungsgebieten, was an den nützlichen Eigenschaften liegt.

Als sehr wichtige Eigenschaft ist Silicon wasserabweisend. Diese Eigenschaft beruht aus dem Aufbau des Silicons. Die Alkylgruppen als solche haben nämlich eine wasserabweisende Wirkung (besonders die Methylgruppen), die bei den Siliconen besonders zur Geltung kommen kann. Diese Gruppen wirken sozusagen wie umgedrehte Regenschirme, und weisen das Wasser ab. Des weiteren haben diese Gruppen die Wirkung, dass Silicone fast überhaupt nicht mit Säuren oder Basen reagieren. Auch biologisch sind Silicone nahezu inert (unreaktiv). So zum Beispiel lassen Silicone Blut nicht gerinnen. Weitere Eigenschaften der Silicone beruhen auf der Festigkeit der Si-O-Verbindungen. Zu diesen Eigenschaften gehören die große Flexibilität und starke Hitze- und Kältefestigkeit der Silicone. Diese Festigkeit wird jedoch auch durch die zwischenmolekularen Wechselwirkungen maßgeblich beeinflusst. Die auftretenden Wechselwirkungen sind in erster Linie Van-der-Waals-Kräfte, die auf dem Aufbau der Silicone beruhen.

3.2. Einsatzgebiete der Silicone

Silicone lassen sich durch ihre praktischen Eigenschaften in allen Gebieten des Lebens einsetzen und bestechen durch ihre Funktionalität. So zum Beispiel kann man Silicone als Entschäumer einsetzen.

Siliconöle können durch die enorme Kälte- und Hitzebeständigkeit bei widrigsten Bedingungen als Schmierstoffe oder Hydraulikflüssigkeiten in Technischen Geräten eingesetzt werden. Ihre wasserabweisenden Eigenschaften sind ideal geeignet, um Metalle vor Korrosion zu schützen. Siliconöle sind sogenannte Kriechöle. Dass bedeutet Silicone überziehen den entsprechenden metallischen Gegenstand mit einem dünnen Film und verteilen sich daher auch an den Stellen, die man sonst nicht erreichen kann.

Feste Silicone eignen sich z.B. als Fugen- und Dichtungsmittel. In diesem Einsatzgebiet kommen ihnen wieder die wasserabweisenden und flexiblen Eigenschaften zugute (wer kennt nicht die Kartuschen mit Siliconen für den Sanitärbereich). Silicone weisen auch eine gute Wärmeisolierung auf, weshalb sie auch als Isoliergriffe von z.B. Schweißbrennern Verwendung finden. Eine besondere Eignung der Silicone im liegt im Bereich der Imprägnierung. Die Sauerstoffatome des jeweiligen Silicons können sich, wenn man sie auf ein Gewebe dampft, am Gewebe anheften, und so einen monomolekularen Schutzfilm erzeugen. Durch die Flexibilität kann man damit Gewebe, Leder, und andere Oberflächen wasserabweisend machen.

Man hat sogar versucht Papier mit Siliconen zu Imprägnieren, was leider an der entstehenden Salzsäure scheitere. Ein weiteres Einsatzgebiet der Silicone ist die Herstellung von medizinisch-technischen Geräten und Apparaturen, sowie Implantaten. Hierfür eignet sich Silicon besonders gut, da es biologisch (wie schon erwähnt) inert ist. Es wird daher vom Körper nicht abgestoßen. Es ist auch sehr gut zu sterilisieren, was den Einsatz bei Operationen usw. erleichtert. Nachteil im Bereich der Implantate ist, dass die eingesetzten Siliconöle bei Austreten aus der festen Hülle vom Körper abgekapselt werden, was zu Geschwülsten, Melanomen und eitrigen Entzündungen führen kann. Es gibt noch viele weitere Einsatzgebiete, auf die ich wegen der Fülle nicht eingehen möchte.

Im gewissen Sinne kann man Silicone als Allzweckstoff der polymeren Kunststoffe betrachten.