Gliederung des Vortrags

Gliederung des Vortrags

1. Allgemeine Informationen zu Siliconen 2. Herstellung von Siliconen

3. Siliconöle / Silicontenside 4. Siliconkautschuk

5. Anwendung und Verwendung von Siliconen 6. Schulrelevanz der Thematik

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 ->

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

1. Allgemeine Informationen

- Silicium keine Neigung zu Doppelbindungen (Doppelbindungsregel)

Ausnahme: Hohe sterische Abschirmung, z.B.:

- Mit Sauerstoff Bildung mehrfachbindungsfreier polymerer Produkte

Si Si Mes Mes Mes

Mes

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

1. Allgemeine Informationen

8

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)

9

2.1 Das Element Silicium

S t ur k t u

r e

l me

e n t e d e s S i l i c

i u m

o xi d s ( Q

u

- Vorkommen in zugänglicher

Erdkruste

- Ausschließlich in gebundener Form mit Sauerstoff:

z.B. Quarze, Feldspat, Olivin

2. Herstellung von Siliconen

2.2 Erster Schritt zum Silicon:

Silicium aus Sand

(a) Labormaßstab:

+4 -2 0 0 +2 -2

SiO_{2 (s)} + 2 Mg _(s) → Si _(s) + 2 MgO _(s) (b) Großtechnische Herstellung:

+4 -2 0 0 +2 -2

SiO_{2 (s)} + 2 C _(s) → Si _(s) + 2 CO _(g)

2. Herstellung von Siliconen

2.3 Darstellung von Chlormethylsilanen

4 CH₃Cl _(g) + 2 Si _(s) →

2 (CH₃)₂SiCl_{2 (g)} [+ CH₃SiCl_{3 (g)} + (CH₃)₃SiCl ) _(g) ] Reaktionsbedingungen:

T= 300-400°C

Cu als Katalysator

2. Herstellung von Siliconen

-2

0

-3 +2

Versuch 1: Hydrolyse von

Chlormethylsilanen

2.) Polykondensation:

1.) Hydrolyse von Dichlordimethylsilan

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

2. Herstellung von Siliconen

Siliconöle

- Lineare Moleküle aus verknüpften Dimethylsiloxan-Einheiten

- Chemisch weitestgehend inert

- I.d.R. klare, geruchlose, hydrophobe und neutrale Flüssigkeiten

3. Siliconöle/Silicontenside

Versuch 2:

Wasserabweisende

Eigenschaft der Silicone

(a) Unbehandelter Filter Faltenfilter aus Cellulose

Wasser dringt in hydrophile Cellulose ein und filtriert durch sie hindurch

O O

H

O

H CH₂

OH

OH O

O

O

H OH

C H₂

OH

O O

O

H OH

CH₂ OH

O CH₂ O

OH

O

H OH OH

n

(b) Behandelter Filter

Benetzung des Filters mit Trichlormethylsilan führt zu einer Kondensationsreaktion

Siliconisierte Cellulose: Ausschnitt

Weitere physikalische Eigenschaften

-Viskosität weniger temperaturabhängig als mineralische Öle

-Siedepunkte deutlich niedriger als bei

Kohlenstoffverbindungen ähnlicher Konstitution -höhere Kompressibilität als mineralische Öle

3. Siliconöle/Silicontenside

Versuch 3: Abbrennen von

Siliconölen

Vollständige Verbrennung eines Siliconöls

C H₃ Si

CH₃ CH₃

O Si CH₃ CH₃

O Si CH₃

CH₃ CH₃

n + y O2 (n + 2) SiO2 + (2n + 6) CO2 + m H2O

Siliconöl

∆

Versuch 4: Silicone als

Antischaummittel

Silicontensid

Kationisches Polysiloxan Modifikation am

Siloxangerüst:

•Bessere

Wasserlöslichkeit

•Steigerung der Tensideigenschaft

Si

O O

CH₃

CH₃

Si CH₃

O (CH₂)₃ O

CH₂ CH O

H

CH₂

N⁺ CH₃ C

H₃

R

C

H O O

Tenside sind Substanzen, die die

Oberflächenspannung einer Flüssigkeit herabsetzen.

Stabilisieren Emulsionen / lösen Schmutzteilchen aus Fett und Öl

Eigenschaften

- Im Vgl. zu anderen Elastomeren ist Elastizität gering temperaturabhängig

- Schwer brennbar (Flammpunkt ca. 750°C) - Gute Chemikalienresistenz

4. Silicongummi/Siliconkautschuk

Vernetzung von Siliconen

a.) Additionsvernetzung

4. Silicongummi/Siliconkautschuk

b.) Kondensationsvernetzung

c.) Vernetzung mit Peroxiden

Demonstration 1:

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 1 Tag

Elastosil E43 enthält Acetoxy-Vernetzer:

Versuch 5: Brennbarkeit von Silicongummi und

anderen Kunststoffen

Verbrennung des Silicongummis

C H₃

Cl Cl

n

+ y O2 n CO2 + ½ n HCl + ½ n H2O Verbrennung des PVC

Si CH₃

CH₃ C

H₃ O Si CH₃

CH₃

O Si CH₃

CH₃ CH₃

n y O₂

(n +2) SiO2 + (2n + 6) CO2 + m H2O

+ ^∆

∆

Demonstration 2:

Chemikalienbeständigkeit

von Silicongummi

- 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

(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)

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)

5. Anwendung und Verwendung

(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) Silicone für Farben

- Vermeidung der

Schaumbildung bei der Farb- und

Lackherstellung - Hitzebeständige

Lacke

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

5. Anwendung und Verwendung

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