Silicone

Gliederung des Vortrags Allgemeine Informationen zu Siliconen Herstellung von Siliconen Siliconöle / Silicontenside Siliconkautschuk Anwendung und Verwendung von Siliconen Schulrelevanz der Thematik

Bedeutung der Silicone 1. Allgemeine Informationen Bedeutung der Silicone - Synthetische Werkstoffe - Anwendungsbereich beeinflusst Art der zu synthetisierenden Struktur - Anwendung in vielen Bereichen des Alltags und der Technik

1. Allgemeine Informationen Silicone - chemisch Organisch modifizierter Quarz: An jedem Siliciumatom zwei Sauerstoffatome durch Methylgruppe (oder anderem organischen Rest) substituiert Freie Drehbarkeit der Methylgruppen -> „geknäuelte Form“

Silicone: Anorganische Verbindungen? 1. Allgemeine Informationen Silicone: Anorganische Verbindungen? - Bezüglich Struktur Zwischenstellung zwischen typischen organischen und typischen anorganischen Verbindungen - Ausbildungen von Silicium-Silicium-Bindungen bzw. Silicium-Ketten nicht ausgeprägt - Stabilität des Quarzgerüstes

- Silicium keine Neigung zu Doppelbindungen (Doppelbindungsregel) Ausnahme: Hohe sterische Abschirmung, z.B.: - Mit Sauerstoff Bildung mehrfachbindungsfreier polymerer Produkte

Silicone – Historischer Abriss (1) 1. Allgemeine Informationen Silicone – Historischer Abriss (1) 1823: Darstellung von amorphem Silicium durch Reduktion von Siliciumdioxid J.J. Berzelius Beginn 20. Jahrhundert: Synthese erster mit der Bruttozusammensetzung R2SiO (Silicone) F.S. Kipping

Silicone – Historischer Abriss (2)                                                                                                                                                                                                                                   Silicone – Historischer Abriss (2) 20. Jahrhundert: in den USA weitere Forschung (v.a. militärische Zwecke) Seit 50er Jahren auch größere Siliconforschung in Deutschland (Firma WACKER)

2. Herstellung von Siliconen                                                                                                                 Strukturelemente des Siliciumoxids (Quarz 2. Herstellung von Siliconen 2.1 Das Element Silicium - Vorkommen in zugänglicher Erdkruste - Ausschließlich in gebundener Form mit Sauerstoff: z.B. Quarze, Feldspat, Olivin

2.2 Erster Schritt zum Silicon: Silicium aus Sand 2. Herstellung von Siliconen 2.2 Erster Schritt zum Silicon: Silicium aus Sand Labormaßstab: +4 -2 0 0 +2 -2 SiO2 (s) + 2 Mg (s) → Si (s) + 2 MgO (s) (b) Großtechnische Herstellung: +4 -2 0 0 +2 -2 SiO2 (s) + 2 C (s) → Si (s) + 2 CO (g)

2.3 Darstellung von Chlormethylsilanen 2. Herstellung von Siliconen 2.3 Darstellung von Chlormethylsilanen 4 CH3Cl (g) + 2 Si (s) → 2 (CH3)2SiCl2 (g) [+ CH3SiCl3 (g) + (CH3)3SiCl ) (g) ] Reaktionsbedingungen: T= 300-400°C Cu als Katalysator = Rochow-Synthese -2 -3 +2

Versuch 1: Hydrolyse von Chlormethylsilanen

1.) Hydrolyse von Dichlordimethylsilan 2.) Polykondensation:

Hydrolyse von Organylchlorsilanen 2. Herstellung von Siliconen Hydrolyse von Organylchlorsilanen Silandiole R2Si(OH)2 kondensieren zu Polysiloxanen: bei kleiner Gliederzahl (n = 3,4,5…) als Ringe bei großer Gliederzahl als Kette Kondensation Silantriole RSi(OH)3 kleine Gliederzahl: Käfige große Gliederzahl: Schichten

3. Siliconöle/Silicontenside Lineare Moleküle aus verknüpften Dimethylsiloxan-Einheiten Chemisch weitestgehend inert I.d.R. klare, geruchlose, hydrophobe und neutrale Flüssigkeiten

Versuch 2: Wasserabweisende Eigenschaft der Silicone

(a) Unbehandelter Filter Faltenfilter aus Cellulose                                                                                                                                                                                                                   Wasser dringt in hydrophile Cellulose ein und filtriert durch sie hindurch

(b) Behandelter Filter Benetzung des Filters mit Trichlormethylsilan führt zu einer Kondensationsreaktion                                                                                                                                                                                                                 

Siliconisierte Cellulose: Ausschnitt

Weitere physikalische Eigenschaften 3. Siliconöle/Silicontenside Weitere physikalische Eigenschaften -Viskosität weniger temperaturabhängig als mineralische Öle -Siedepunkte deutlich niedriger als bei Kohlenstoffverbindungen ähnlicher Konstitution -höhere Kompressibilität als mineralische Öle

Versuch 3: Abbrennen von Siliconölen

Vollständige Verbrennung eines Siliconöls ∆ Siliconöl

Versuch 4: Silicone als Antischaummittel

Silicontensid Kationisches Polysiloxan Modifikation am Siloxangerüst: Bessere Wasserlöslichkeit Steigerung der Tensideigenschaft

Tenside sind Substanzen, die die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit herabsetzen. Stabilisieren Emulsionen / lösen Schmutzteilchen aus Fett und Öl

4. Silicongummi/Siliconkautschuk Eigenschaften Im Vgl. zu anderen Elastomeren ist Elastizität gering temperaturabhängig Schwer brennbar (Flammpunkt ca. 750°C) Gute Chemikalienresistenz

Vernetzung von Siliconen 4. Silicongummi/Siliconkautschuk Vernetzung von Siliconen a.) Additionsvernetzung

b.) Kondensationsvernetzung

c.) Vernetzung mit Peroxiden                                                                                                                 c.) Vernetzung mit Peroxiden

Demonstration 1: Kaltvulkanisierende Siliconkautschuke

Kaltvulkanisierende Siliconkautschuke                                                                                                                                                                                                                                 Kaltvulkanisierende Siliconkautschuke Bereits alle zur Vulkanisation erforderlichen Komponenten (Polyorganosiloxane, Vernetzer, Füllstoffe) enthalten Vernetzung tritt erst unter Luftfeuchtigkeit ein Allgemeine Reaktion:

Vergleich: Gips und Elastosil (=Siliconkautschuk) Elastosil E43 Gips Geruchs-entwicklung essigartig geruchlos pH-Wert sauer neutral Konsistenz weich, gummiartig fest Überstreichbar-keit mit Wasserfarbe Farbe schlecht haftend, abwaschbar Farbe haftet sehr gut Abbindzeit 1 Tag Elastosil E43 enthält Acetoxy-Vernetzer: Entstehung von Essigsäure bei Hydrolyse

Versuch 5: Brennbarkeit von Silicongummi und anderen Kunststoffen

Verbrennung des Silicongummis                                                                                                                 Verbrennung des Silicongummis ∆ Verbrennung des PVC ∆

Demonstration 2: Chemikalienbeständigkeit von Silicongummi

von konzentrierten Lösungen starker Säuren angegriffen   - beständig gegenüber verdünnten Säuren, verdünnten Laugen, Aceton und Heptan von konzentrierten Lösungen starker Säuren angegriffen elektrophiler Angriff am negativ polarisiertem O-Atom

- von konzentrierten Lösungen starker Basen angegriffen nucleophiler Angriff am positiv polarisiertem Si-Atom - Heptan: Aufquellen beruht auf Einlagerung in das Molekülgeflecht des Polymers

(1) Silicone im Bauwesen 5. Anwendung und Verwendung (1) Silicone im Bauwesen - Bautenschutz (u.a. Hydrophobierungsverfahren gegen Verwitterung) - Verkleben, verdichten, verfugen - Wärmeisolierung                                          

5. Anwendung und Verwendung (2) Silicone im Verkehr - Elektronik (z.B. Ummantelung von Zündkerzen) - Mechanik (z.B. Siliconöle in Visko-Kupplung) - Sicherheit (Abdichtung des Airbags mit einer Siliconschicht)

(3) Silicone in der Medizin 5. Anwendung und Verwendung (3) Silicone in der Medizin - Medizintechnik (z.B. Abformmaterialien in der Zahnmedizin) - Umkapselung von Medikamenten mit Siliconharzen - Als „eigentliches“ Medikament (z.B. Narbencreme)

(4) Silicone beim Kleben Demonstration 3: Siliconbeschichtetes Papier

Siliconbeschichtetes Papier Fest auf Papier haftende Siliconschicht Nur schwache Adhäsion zwischen Klebestreifen und Siliconschicht - Ohne Beschichtung: Wechselwirkungen zwischen Cellulosemolekülen und Klebstoffmolekülen

5. Anwendung und Verwendung (5) Silicone für Farben Vermeidung der Schaumbildung bei der Farb- und Lackherstellung - Hitzebeständige Lacke

(6) Silicone für Schönheit 5. Anwendung und Verwendung (6) Silicone für Schönheit - Hautcremes, Make-up (dermatologische Verträglichkeit) - Einsatz in Haarpflegepräparaten

5. Anwendung und Verwendung (7) Silicone im Alltag - Gummibänder an Armbanduhren - Siliconhaltige Trennmittel an Weinkorken

6. Schulrelevanz - Komplexität des Themas: Sekundarstufe II Nicht explizit im Lehrplan, aber 13 II „Angewandte Chemie“ (Unterthema: Kunst- und Werkstoffe) - In Schulbüchern teilweise vorhanden - Hoher Alltagsbezug - Verbindung zwischen organischer und anorganischer Chemie - Stoffe gefahrlos für Schülerarbeit - Produkte größtenteils „anfassbar“

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit