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Gliederung des Vortrags1. Allgemeine Informationen zu Siliconen2. Herstellung von Siliconen3. Siliconöle / Silicontenside4. Siliconkautschuk 5. Anwendung und Verwendung von Siliconen6. Schulrelevanz der Thematik

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Bedeutung der Silicone- Synthetische Werkstoffe

- Anwendungsbereich beeinflusst Art der zu synthetisierenden Struktur

- Anwendung in vielen Bereichen des Alltags und der Technik

1. Allgemeine Informationen

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Silicone - chemischOrganisch modifizierter Quarz:

An jedem Siliciumatom zwei Sauerstoffatome durch Methylgruppe (oder anderem organischen Rest) substituiert

Freie Drehbarkeit der Methylgruppen -> „geknäuelte Form“

1. Allgemeine Informationen

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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

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- Silicium keine Neigung zu Doppelbindungen (Doppelbindungsregel)

Ausnahme: Hohe sterische Abschirmung, z.B.:

- Mit Sauerstoff Bildung mehrfachbindungsfreier polymerer Produkte

Si SiMes

Mes

Mes

Mes

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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

1. Allgemeine Informationen

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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)

                                                      

                                                      

                                                      

                                                      

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2.1 Das Element Silicium

                                                                                                               

Strukturelemente

des

Siliciumoxids (Quarz

- Vorkommen in zugänglicher Erdkruste

- Ausschließlich in gebundener Form mit Sauerstoff: z.B. Quarze, Feldspat, Olivin

2. Herstellung von Siliconen

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2.2 Erster Schritt zum Silicon: Silicium aus Sand

(a) 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. Herstellung von Siliconen

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2.3 Darstellung von Chlormethylsilanen

4 CH3Cl (g) + 2 Si (s) →

2 (CH3)2SiCl2 (g) [+ CH3SiCl3 (g) + (CH3)3SiCl ) (g) ]

Reaktionsbedingungen:T= 300-400°CCu als Katalysator

= Rochow-Synthese

2. Herstellung von Siliconen

-2

0

-3 +2

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Versuch 1: Hydrolyse von Chlormethylsilanen

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2.) Polykondensation:

1.) Hydrolyse von Dichlordimethylsilan

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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

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Siliconöle- Lineare Moleküle aus verknüpften

Dimethylsiloxan-Einheiten

- Chemisch weitestgehend inert

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

3. Siliconöle/Silicontenside

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Versuch 2: Wasserabweisende

Eigenschaft der Silicone

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(a) Unbehandelter Filter

Faltenfilter aus Cellulose

                                                                                                               

                                                                                                 

Wasser dringt in hydrophile Cellulose ein und filtriert durch sie hindurch

O

OH

OH CH2

OH

OH OO

OH OH

CH2

OH

O O

OH OH

CH2

OH

O OCH2

OH

OH OH OH

n

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(b) Behandelter Filter

Benetzung des Filters mit Trichlormethylsilan führt zu einer Kondensationsreaktion

                                                                                                               

                                                                                                

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Siliconisierte Cellulose: Ausschnitt

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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

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Versuch 3: Abbrennen von Siliconölen

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Vollständige Verbrennung eines Siliconöls

CH3 Si

CH3

CH3

O Si

CH3

CH3

O Si

CH3

CH3

CH3

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

Siliconöl

∆

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Versuch 4: Silicone als Antischaummittel

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Silicontensid

Kationisches Polysiloxan

Modifikation am Siloxangerüst:

•Bessere Wasserlöslichkeit

•Steigerung der Tensideigenschaft

SiO O

CH3

CH3

Si

CH3

O

(CH2)3

O

CH2

CHOH

CH2

N+

CH3CH3

RCH O

O

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Tenside sind Substanzen, die die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit herabsetzen.

Stabilisieren Emulsionen / lösen Schmutzteilchen aus Fett und Öl

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Eigenschaften- Im Vgl. zu anderen Elastomeren ist

Elastizität gering temperaturabhängig

- Schwer brennbar (Flammpunkt ca. 750°C)

- Gute Chemikalienresistenz

4. Silicongummi/Siliconkautschuk

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Vernetzung von Siliconena.) Additionsvernetzung

4. Silicongummi/Siliconkautschuk

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b.) Kondensationsvernetzung

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c.) Vernetzung mit Peroxiden

                                                                                                               

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Demonstration 1: Kaltvulkanisierende Siliconkautschuke

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Kaltvulkanisierende Siliconkautschuke

Bereits alle zur Vulkanisation erforderlichen Komponenten (Polyorganosiloxane, Vernetzer, Füllstoffe) enthalten

Vernetzung tritt erst unter Luftfeuchtigkeit ein

Allgemeine Reaktion:

                                                                                                            

   

                                                                                                          

     

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Vergleich: Gips und Elastosil (=Siliconkautschuk)

Elastosil E43 Gips

Geruchs-entwicklung

essigartig geruchlos

pH-Wert sauer neutral Konsistenz weich,

gummiartigfest

Überstreichbar-keit mit Wasserfarbe

Farbe schlecht haftend, abwaschbar

Farbe haftet sehr gut

Abbindzeit 1 Tag 1 Tag

Elastosil E43 enthält Acetoxy-Vernetzer:

Entstehung von Essigsäure bei Hydrolyse

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Versuch 5: Brennbarkeit von Silicongummi und anderen Kunststoffen

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Verbrennung des Silicongummis

CH3

Cl Cln

+ y O2 n CO2 + ½ n HCl + ½ n H2O

Verbrennung des PVC

Si

CH3

CH3

CH3 O Si

CH3

CH3

O Si

CH3

CH3

CH3

n

y O2

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

+ ∆

∆

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Demonstration 2:Chemikalienbeständigkeit

von Silicongummi

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- beständig gegenüber verdünnten Säuren, verdünnten Laugen, Aceton und Heptan

-von konzentrierten Lösungen starker Säuren angegriffen

 

elektrophiler Angriff am negativ polarisiertem O-Atom

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- von konzentrierten Lösungen starker Basen angegriffen

nucleophiler Angriff am positiv polarisiertem Si-Atom

- Heptan: Aufquellen beruht auf Einlagerung in das Molekülgeflecht des Polymers

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(1) Silicone im Bauwesen- Bautenschutz (u.a.

Hydrophobierungsverfahren gegen Verwitterung)

- Verkleben, verdichten, verfugen

- Wärmeisolierung

                      

                  

5. Anwendung und Verwendung

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(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

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(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

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(4) Silicone beim Kleben

Demonstration 3: Siliconbeschichtetes

Papier

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Siliconbeschichtetes Papier

- Fest auf Papier haftende Siliconschicht

- Nur schwache Adhäsion zwischen Klebestreifen und Siliconschicht

- Ohne Beschichtung: Wechselwirkungen zwischen Cellulosemolekülen und Klebstoffmolekülen

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(5) Silicone für Farben- Vermeidung der

Schaumbildung bei der Farb- und Lackherstellung

- Hitzebeständige Lacke

5. Anwendung und Verwendung

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(6) Silicone für Schönheit- Hautcremes, Make-up

(dermatologische Verträglichkeit)

- Einsatz in Haarpflegepräparaten

5. Anwendung und Verwendung

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(7) Silicone im Alltag- Gummibänder an

Armbanduhren

- Siliconhaltige Trennmittel an Weinkorken

5. Anwendung und Verwendung

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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“

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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