Silikondefinitionen

Die Welt des Silikons entdecken

Avantor hat die allgemeinen Geschäftsbedingungen für die hochreinen Silikone der Marke NuSil definiert. Als führender Hersteller von Silikonverbindungen für Anwendungen in den Bereichen Gesundheitswesen, Luft- und Raumfahrt, Elektronik und Photonik können Sie sich auf NuSil verlassen, um Standard- und kundenspezifische Silikonverbindungen zu entwickeln und zu liefern, die Ihre individuellen Anforderungen an die Materialeigenschaften optimal erfüllen.

Bedingungen

Konsistenz

Die Konsistenz von Silikonen im ungehärteten Zustand reicht von flüssig (wasserähnlich) bis tonartig. Silikonkonsistenzen können anhand von Fließgeschwindigkeiten, Viskosität oder Plastizitätsmessungen angegeben werden.

Crêpe-Härtung

Die Versteifung des nicht ausgehärteten Silikonelastomers. Andere Bezeichnungen für dieses Phänomen sind „Krepphärtung“ und „Kreppstrukturierung“. Die Krepphärtung wird durch chemische Wechselwirkungen (Wasserstoffbrückenbindungen) zwischen einem siliziumdioxidverstärkten Füllstoff und der Polymerfraktion verursacht. Eine einzelne Wasserstoffbrückenbindung gilt als schwach und kann leicht gebrochen werden, doch in ihrer Gesamtheit können sie eine erhebliche Wirkung entfalten. Mit der Zeit nimmt die Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen zu, was zu einer Versteifung führt. Kreppgealterte Silikone können durch Scherung des Materials (Rühren oder Mahlen) wieder weich gemacht werden.

Heilungsinhibitoren

Aushärtungsinhibitoren verhindern im Gegensatz zu Katalysatorgiften nicht die dauerhafte Aushärtung des Systems. Bei korrekter Anwendung ermöglichen sie eine sehr präzise Steuerung des Reaktionsmechanismus. Die Verarbeitungszeit ist eine Eigenschaft, die am häufigsten mit Aushärtungsinhibitoren angepasst wird.

Heilungsplan

Das Aushärtungsschema beschreibt die Kombination aus Temperatur und Zeit, der ein wärmehärtendes Silikonmaterial für eine vollständige Aushärtung ausgesetzt werden muss. Für dasselbe Material können verschiedene Temperatur-/Zeitkombinationen für Anwendungen mit Zeit- oder Temperaturbeschränkungen gewählt werden.

Cure Systems

Additionshärtung

Additionsvernetzende Silikonelastomere werden häufig als platinkatalysierte Silikone bezeichnet und sind in der Regel Zweikomponentensysteme, deren Komponenten jeweils unterschiedliche funktionelle Bestandteile enthalten. Diese Zweikomponentensysteme können in verschiedenen Verhältnissen formuliert werden, wobei 10:1 und 1:1 die gängigsten sind. Komponente A enthält üblicherweise vinylfunktionelle Silikone und den Platinkatalysator, während Komponente B vinylfunktionelles Polymer, einen wasserstofffunktionellen Vernetzer und einen Vulkanisationsinhibitor enthält. Vulkanisationsinhibitoren sind Additive, die zur Anpassung der Vulkanisationsgeschwindigkeit des Systems verwendet werden. Die Vulkanisation erfolgt durch direkte Zugabe des Si-H-funktionellen Vernetzers zum vinylfunktionellen Polymer, wodurch eine Ethylenbrückenvernetzung entsteht. Die Vulkanisation additionsvernetzender Silikonelastomere kann durch Wärme beschleunigt werden. Je nach Produkt können additionsvernetzende Elastomere bei Temperaturen und Zeiten von 10 Minuten bei 116 °C bis 2 Minuten bei 150 °C vollständig aushärten. Die Aushärtungsbedingungen variieren mit der Produktmasse (z. B. härtet eine dünne Elastomerfolie viel schneller aus als ein dicker Abschnitt, da es länger dauert, bis die geeignete Aushärtungstemperatur im Kern der Silikonprobe erreicht ist). Es ist besonders darauf zu achten, dass keine Verunreinigungen vorhanden sind, die sich negativ auf den Katalysator auswirken könnten (siehe Gifte unten).

Kondensationshärtung (Acetoxy)

Acetoxyfunktionelle Systeme werden typischerweise zur Herstellung von Einkomponenten-Dispersionen, Dichtstoffen und Klebstoffen verwendet. Diese Materialien sind bei dünnen Schichten sehr wirksam und bieten eine gute Haftung auf den meisten Untergründen. Das Härtungssystem besteht aus hydroxylterminierten Polymeren, Alkyltriacetoxysilan-Vernetzern und einem Zinnkatalysator. Diese Einkomponentenprodukte vulkanisieren bei Kontakt mit der Umgebungsfeuchtigkeit. Die vollständige Aushärtung erfolgt in der Regel innerhalb von 7–10 Tagen, abhängig von der Silikonschichtdicke und der Luftfeuchtigkeit. Eine Beschleunigung der Aushärtung durch Wärme wird nicht empfohlen. Während der Aushärtung dieser Produkte wird Essigsäure freigesetzt, die sich durch einen essigartigen Geruch bemerkbar macht. Dieser Geruch verschwindet nach vollständiger Aushärtung.

Kondensationshärtung (Alkoxy)

Alkoxy- oder Alkoholhärtungssysteme werden typischerweise für niedrigviskose oder gießfähige Elastomere und Schäume verwendet. Diese Materialien können in dickeren Schichten als acetoxyvernetzte Materialien ausgehärtet werden und werden üblicherweise als Zweikomponentenprodukte geliefert. Das Härtungssystem besteht aus einem hydroxylterminierten Polymer, einem Tetraalkoxysilan-Vernetzungsmittel und einem Zinnkatalysator. Wie beim Acetoxy-Härtungssystem ist Wasserdampf (Feuchtigkeit) für die Vulkanisation erforderlich. Im Gegensatz zum Acetoxy-System ist die Abgangsgruppe ein Alkohol und nicht Essigsäure, wodurch das System nicht korrosiv ist. Die vollständige Aushärtung dieser Materialien dauert je nach Luftfeuchtigkeit und Dicke der Silikonschicht sieben Tage oder länger.

Kondensationshärtung (Oxim)

Oximvernetzende Systeme sind typischerweise einkomponentige, dünnschichtige, feuchtigkeitshärtende Klebstoffe. Der Aushärtungsmechanismus beruht wiederum auf der Reaktion von hydroxy-endblockiertem Silikon mit einem oximfunktionalisierten Vernetzer in Gegenwart eines Zinnkatalysators und der Umgebungsfeuchtigkeit. Die Abgangsgruppe, Methylethylketoxim, ist nicht korrosiv.

Peroxid-Heilung

Peroxidvernetzte Silikone nutzen einen Peroxidkatalysator. Diese Vernetzungsmethode wird häufig bei hochkonsistenten Kautschuken eingesetzt. Der Vernetzungsmechanismus kann vinylfunktionelle, hydridfunktionelle und nicht-funktionalisierte Polymere umfassen. Die Wahl des Peroxidkatalysators hängt von der Vulkanisationstechnik und den gewünschten Parametern (vinylspezifisch und nicht-vinylspezifisch) ab. Die Konzentration nicht-vinylspezifischer Peroxidkatalysatoren ist direkt proportional zur gewünschten Vernetzungsdichte des vernetzten Elastomers. Ein typisches Vernetzungsprogramm für nicht-vinylspezifisch peroxidkatalysierte Elastomere sieht zehn Minuten bei 116 °C vor, gefolgt von einer 2- bis 4-stündigen Nachhärtung (siehe unten) bei 177 °C zur Entfernung von Restprodukten.

Dispersionen

Dispersion ist ein Begriff für Silikone, die in einem Lösungsmittel suspendiert oder gelöst sind. Die Viskosität der Dispersion hängt von den Eigenschaften des Silikons und dem Verhältnis von Silikon zu Lösungsmittel ab. Die Konsistenz von Dispersionen reicht von wässrig bis hin zu dickflüssigen, kaum fließfähigen Flüssigkeiten. Dispersionen können durch Tauchen oder Sprühen aufgetragen werden.

Flüssigkeiten

Silikonflüssigkeiten sind Silikonpolymere mit unterschiedlichen Molekulargewichten und Funktionalitäten. Die Polymere bestehen aus zwei wesentlichen Komponenten: sich wiederholenden Siloxaneinheiten und endblockierenden Siloxaneinheiten. Die sich wiederholenden Siloxaneinheiten können Dimethyl-, Trifluorpropylmethyl-, Phenylmethyl-, Diphenyl-, Vinylmethyl- oder Wasserstoffmethyl-Funktionalitäten aufweisen, wobei Dimethyl die häufigste Siloxangruppe ist. Endblockierende Siloxaneinheiten schließen die Polymerketten ab. Diese Endblockierung kann reaktive Gruppen wie Vinyl- oder Hydroxy-Funktionalitäten oder nicht-reaktive Funktionalitäten wie Trimethyl- oder Dimethylphenyl enthalten. Die Flüssigkeiten lassen sich durch Tauchen, Sprühen oder Streichen auf Oberflächen auftragen.

Fluorsilikone

Fluorsilikone sind Silikone, die unterschiedliche Anteile an Trifluorpropylmethylpolysiloxan-Einheiten enthalten. Sie sind als hochkonsistente Elastomere, Flüssigdichtungsmassen (LSR), Schäume, Gele, Flüssigkeiten und Einkomponenten-Dichtstoffe erhältlich.

Schäume

Wie Gele sind auch Schäume so konzipiert, dass sie sich anpassen. Im ungehärteten Zustand sind diese Materialien typischerweise flüssig. Durch die Zugabe von Katalysatoren (Zinn oder Platin) entsteht bei Raumtemperatur schnell ein Silikonkautschukschaum. Während des Aushärtungsprozesses bildet sich durch die Freisetzung von Wasserstoffgas eine Zellstruktur. Schäume lassen sich auch durch die Verwendung bestimmter Additive wie Ammoniumbicarbonat herstellen. Ein solches Additiv kann durch Wärmezufuhr aus einem hochviskosen Kautschuk Schaum erzeugen.

Gele

Silikongele sind weich und anpassungsfähig. Ihre gelartige Konsistenz erreichen sie durch eine geringere Vernetzung als bei typischen Elastomeren und sind in der Regel nicht mit Siliziumdioxid verstärkt. Ungehärtete Gele sind leicht gießbar, können von Hand gemischt und zu fertigen Teilen geformt werden.

Hochkonsistenter Gummi

Ein hochkonsistenter Kautschuk (HCR) besteht aus einem Polymer mit hohem Molekulargewicht, das mit Siliciumdioxid kombiniert wird. Das so entstandene Material lässt sich formen, extrudieren oder kalandrieren und so zu einem brauchbaren Endprodukt verarbeiten. HCR hat die Konsistenz von Ton und wird hauptsächlich als Ein- oder Zweikomponentensystem (mit Peroxid bzw. Platinkatalysatoren) hergestellt.

Flüssigsilikonkautschuk

Flüssigsilikonkautschuke wie HCRs sind mit Kieselsäure verstärkt, verwenden aber typischerweise ein Polymer mit niedrigerem Molekulargewicht. LSRs sind standfest, haben eine mayonnaiseartige Konsistenz und werden häufig mit einer Spritzgießmaschine zu Formteilen verarbeitet. Diese Zweikomponentenmaterialien werden meist im Mischungsverhältnis 1:1 hergestellt.

Masterbatches

Verschiedene Materialadditive sind in konzentrierter Form, sogenannten Masterbatches, erhältlich. Masterbatches sind vorgemischte Additive in einem funktionalen Silikonpolymer. Beispiele für Additive sind Pigmente, Katalysatoren und Inhibitoren.

Medizinische Qualität

Medizinische Silikone werden speziell entwickelt, hergestellt und gereinigt, um die strengsten Anforderungen des Gesundheitswesens zu erfüllen. Diese Produkte werden gemäß den geltenden cGMP-Standards in Einrichtungen gefertigt, die direkt oder indirekt von der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde FDA reguliert werden, und verfügen in der Regel über Master-Access-Dateien.

Betriebstemperatur

Physikalische Eigenschaften

Durometer

Diese Messung bestimmt die Härte eines Silikonmaterials mittels eines dimensionslosen Standardtests. Die Messwerte werden auf einer Skala von Typ 00 (weich), Typ A (mittel) und Typ D (hart) angegeben. Innerhalb jeder Skala entspricht ein höherer Wert einem härteren Material.

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Verlängerung

Ein Test zur Bestimmung der Dehnung eines Materials vom Ruhezustand bis zum Bruch. Die Ergebnisse werden üblicherweise in Prozent angegeben.

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Extrusionsrate

Ein Test zur Bestimmung der Fördergeschwindigkeit von flüssigem Silikon durch eine vorgegebene Düse bei einem bestimmten Druck. Die Werte werden üblicherweise in Gramm pro Minute angegeben.

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Modul

Der Elastizitätsmodul (Modul) ist eine mechanische Materialeigenschaft, die dessen Flexibilität oder Steifigkeit beschreibt. Er gibt die Kraft (Spannung) an, die erforderlich ist, um ein Material um einen bestimmten Betrag (Dehnung) zu dehnen. Der Modul kann mit der Härte eines Materials in Zusammenhang gebracht werden. Weichere Materialien benötigen weniger Kraft, um um eine bestimmte Strecke gedehnt zu werden, und weisen daher einen niedrigeren Modul auf als steifere Materialien. Der Modul ist das Verhältnis von Spannung zu Dehnung. Er wird typischerweise als die Spannung (Kraft) beschrieben, die erforderlich ist, um das Material auf eine bestimmte prozentuale Dehnung zu dehnen. Der Modul wird in lbs/in² (psi) bei einer bestimmten prozentualen Dehnung angegeben.

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Reißfestigkeit

Ein Test zur Bestimmung des Widerstands eines Materials gegen die Ausbreitung eines Schnitts oder Risses. Die Werte werden üblicherweise in Pfund pro Zoll (ppi) oder dem metrischen Äquivalent Kilonewton pro Meter (kN/m) angegeben.

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Zugfestigkeit

Die Kraft oder Dehnung, die erforderlich ist, um das Material zu brechen. Diese Prüfwerte werden üblicherweise in Pfund pro Quadratzoll (psi) oder dem metrischen Äquivalent Megapascal (MPa) angegeben.

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Viskosität

Ein Test zur Bestimmung der Konsistenz von Silikonen, die von Natur aus flüssig sind.

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Platin-Katalysator-„Gifte“

Der in additionsvernetzenden Silikonen verwendete Platinkatalysator ist sehr anfällig für Vergiftungen, die den Aushärtungsprozess negativ beeinflussen. Diese Vergiftungseffekte können von leichter Oberflächenklebrigkeit bis hin zum vollständigen Ausbleiben der Aushärtung reichen. Obwohl viele Substanzen eine Vergiftung des Aushärtungsprozesses verursachen können, enthält die folgende Liste die meisten der häufigsten Vergiftungen:

A. Schwefelhaltige Materialien

B. Organozinnhaltige Materialien

C. Sonstige

Das Aushärten einer kleinen Menge Silikon in Kontakt mit einem fraglichen Material kann eine effektive Methode sein, um mögliche Vergiftungseffekte zu beurteilen.

Nachhärtung

Die Nachbehandlung dient zwei Zwecken:

Die für die Nachhärtung bei einer bestimmten Temperatur erforderliche Zeit hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die flüchtigen Bestandteile aus dem Elastomer entweichen können, was wiederum von der Dicke des Bauteils, der exponierten Oberfläche und der Ofenbeladung abhängt.

Beispielsweise sollte eine ASTM-Standardplatte (1,9 mm dick) bei 177 °C (351 °F) mindestens 2 Stunden lang nachgehärtet werden, bzw. bei peroxidkatalysierten Elastomersystemen bei 200 °C (392 °F) mindestens 1,5 Stunden lang. Der Anwender muss die Nachhärtungsbedingungen für die jeweilige Anwendung festlegen.

Zubereitungstechniken

Weichmachen/Mischen

Materialien mit hoher Konsistenz neigen naturgemäß dazu, mit der Zeit zu kräuseln oder eine Struktur zu bilden. Es wird empfohlen, diese Materialien vor der Katalyse und/oder dem Formen/Extrudieren zu erweichen. Das Erweichen von Materialien mit hoher Konsistenz erfolgt meist mit einem Zweiwalzenmischer. Bei Zweikomponentensystemen empfiehlt sich folgende Reihenfolge: Zuerst Komponente B auf einem gekühlten Zweiwalzenmischer erweichen, anschließend Komponente A. ACHTUNG: Die Temperatur des gemahlenen Materials muss so niedrig wie möglich gehalten werden, um eine maximale Verarbeitungszeit zu gewährleisten. Nachmahlen kann die Nutzungsdauer des katalysierten Materials verlängern.

Vakuumentlüftung

Lufteinschlüsse, die beim manuellen Mischen entstehen, und natürlich gelöste Gase können vor dem Formen durch Vakuumentgasung entfernt werden.

Druckempfindliche Klebstoffe

Haftklebstoffe (PSA) erzeugen eine klebrige Oberfläche, die eine nicht dauerhafte Verbindung ermöglicht. Sie werden als Silikondispersionen angeboten. Das flüchtige Trägerlösungsmittel verdunstet in der Regel schnell und hinterlässt eine klebrige Silikonschicht, die durch Druck auf ein anderes Objekt geklebt werden kann.

Primer

Silikonprimer sind speziell formulierte Silane in einem Lösungsmittel. Sie dienen der Verbesserung der Haftfestigkeit zwischen Silikonkautschuk oder Klebstoff und anderen Substratoberflächen (Silikon, Metalle und bestimmte Kunststoffe). Die organofunktionelle Komponente des Primers verbindet sich mit der Silikonmatrix, während der hydrolysierte siliziumfunktionelle Anteil an das anorganische Substrat bindet.

Verarbeitungstechniken

Kalendern

Ein Verfahren zur Herstellung dünner Folien aus Silikonen mit gleichmäßiger Dicke. Diese Folien können mit anderen Materialien verstärkt sein, müssen es aber nicht.

Eintauchen

Eine Form oder ein „Dorn“ wird in eine Lösungsmitteldispersion eines Silikonelastomers eingetaucht („getaucht“ oder „tauchbeschichtet“). Das Tauchbeschichtungsverfahren ist üblicherweise ein mehrstufiger Prozess, um eine bestimmte Aushärtungsdicke zu erzielen.

Extrusion

Hochviskose Elastomere lassen sich durch eine unbeheizte Düse zu Stäben, Schläuchen und beschichteten Drähten extrudieren. Hochviskose Silikone, die ihre Form im ungehärteten Zustand beibehalten, eignen sich ideal für dieses Verfahren. Die Vulkanisation erfolgt bei dieser Fertigungstechnik üblicherweise durch Durchleiten des extrudierten Silikons durch eine horizontale oder vertikale Heizkammer.

Formen

Silikonelastomere lassen sich durch Kompressions-, Transfer- oder Spritzgießverfahren in ausgehärtete Formen bringen. Die meisten dieser Verfahren eignen sich für verschiedene Silikonkonsistenzen, mit Ausnahme des Spritzgießens. Flüssigsilikonkautschuksysteme sind typischerweise für das Spritzgießverfahren ausgelegt.

Weltraumqualität

Um den extremen Bedingungen im Weltraum standzuhalten, müssen Silikone hochrein sein. NASA und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) fordern, dass Materialien vor ihrem Einsatz im Weltraum gemäß ASTM E-595 geprüft werden. Diese Materialien müssen die Spezifikationen der NASA-Norm SP-R-0022A und der ESA-Norm PSS-014-702 erfüllen, mit einem maximalen Gesamtmasseverlust (TML) von 1 % und einem Anteil an gesammelten flüchtigen kondensierbaren Bestandteilen (CVCM) von unter 0,1 %. NuSil betrachtet Materialien, die diese Tests bestehen, als weltraumtauglich.

Unsere Werkstoffe für die Raumfahrt werden in zwei Produktlinien angeboten: Controlled Volatility (CV) und Ultra Low Outgassing™ (SCV). CV-Werkstoffe erfüllen oder übertreffen die Anforderungen von ≤ 1 % TML und ≤ 0,1 % CVCM; SCV-Werkstoffe übertreffen die aktuelle Norm ASTM E 595 um eine Größenordnung (≤ 0,1 % TML und ≤ 0,01 % CVCM).

Vulkanisation

Die Bildung eines Quervernetzungsnetzwerks in einem Silikonsystem.

Arbeitszeit

Die Verarbeitungszeit ist der Zeitraum zwischen der Systemkatalyse und dem Zeitpunkt, an dem das Material nicht mehr verarbeitbar ist. Bei fließfähigen Silikonen kann die Verarbeitungszeit bestimmt werden, indem man einen Mikrospatel unter die Materialoberfläche taucht, ihn langsam bis zu einer Höhe von mehr als 2,5 cm herauszieht und den resultierenden Zustand beobachtet. Alternativ kann die Verarbeitungszeit auch durch Viskositätsmessung einer katalysierten Probe in festgelegten Zeitabständen ermittelt werden. Bei der Bestimmung der Verarbeitungszeit müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, darunter die Anwendung und die physikalischen Eigenschaften des zu prüfenden Materials.