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Tutorial Nr. 3

Silane als Haftvermittler in der Formulierung von Lacken und

Beschichtungen

Michael Schäfer

BCD Chemie GmbH / Germany

Autor: BCD Chemie GmbH; Michael Schäfer

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Im täglichen Leben kommen wir mit vielen Industrieerzeugnissen in Berührung die

Organofunktionelle Silane enthalten. Vom Endanwender werden kontinuierliche

Verbesserungen erwartet. Organofunktionelle Silane bieten hier eine breite Anwendung in

Beschichtungen als Haftvermittler und Vernetzungsmittel , um eine lange Haltbarkeit auf den

unterschiedlichsten Untergründen zu gewährleisten. Weiterhin können Abrieb- und

Kratzfestigkeit gesteigert, UV-Beständigkeit, Wasser-und Chemikalienbeständigkeit verbessert

werden.

Auch in Klebstoffen, chemisch modifizierten Füllstoffanbindungen, glasfaserverstärkten

Kunststoffen und in einem separaten Primer können Silane ihre Anwendung finden.


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Basis Silanchemie

Silizium ist in der gleichen Familie von Elementen im Periodensystem wie Kohlenstoff. In ihrem

stabilsten Zustand verbinden sich Silizium und Kohlenstoff zu vier anderen Atomen. Silizium-

basierte Chemikalien weisen signifikante körperliche und chemische Unterschiede gegenüber

analogen Kohlenstoff basierenden Chemikalien auf. Silizium ist elektropositiver als Kohlenstoff,

formt keine stabilen Doppelbindungen und ist imstande spezielle sowie nützliche chemische

Reaktionen abzuleiten. Silizium basierte Chemikalien umfassen verschiedene Arten von

monomeren und polymeren Materialien.

Monomere Silikone sind als Silane bekannt. Eine Silan-Struktur und eine analoge

Kohlenstoffbasis Struktur sind in der Abbildung „Carbon vs. Silicon Chemie“ zusehen. Die vier

Substituenten wurden gewählt, um Unterschiede und Ähnlichkeiten in physikalischen und

chemischen Eigenschaften zwischen Silicon und Kohlenstoff basierenden Chemikalien

aufzuzeigen. Ein Silan, welches mindestens eine Carbonsilikonbindungsstruktur(CH3-Si-)

enthält, ist als Organosilan bekannt. Die Kohlenstoff-Silikon Bindung ist stabil, recht unpolar,

führt zu niedriger Oberflächenenergie, unpolaren, hydrophoben Wirkungen.

Organofunktionelle Silane

Organofunktionelle Silane sind hybride Verbindungen, welche die Funktionalität einer reaktiven

organischen Gruppe mit der anorganischen Funktionalität eines Alkylsilikats in einem Molekül

verbinden. RnSi (OR) 4-n ist die Grundstruktur von Organosilanen mit „R“ einer Alkyl-, Aryl-

oder Organofunktionellen Gruppe und „O“. Dadurch wirken sie als molekulare Brücken

zwischen organischen Polymeren und anorganischen Materialien. Welche funktionelle Gruppe

einsetzbar ist, entscheidet letzten Endes das organische Polymer. Die Länge der Brücke

bestimmt die Reaktivität.

Carbon vs. Siliconchemie


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Molekulare Brücke

Die Anbindung erfolgt über die hydrolisierbaren funktionellen Gruppen OR. Hier kommen

hauptsächlich Methoxy- und Ethoxy-Substituenten zur Anwendung. Die Alkoxygruppen des

Silans hydrolisieren bei Feuchtigkeit. Hierbei entstehen reaktive Silanole. Diese kondensieren

entweder zu oligomeren Siloxanen oder reagieren mit dem anorganischen Substrat. Da auf

vielen mineralischen und metallischen Oberflächen Hydroxylgruppen vorhanden sind, kommt

es in der Regel zu einer kovalenten Anbindung des Silans an das anorganische Substrat im Zuge

einer Kondensationsreaktion.

Vernetzung Haftvermittlung

Organofunktionelle Silane dienen als

Vernetzer für organische Polymere

z.B. bei Farben und Lacken

Organofunktionelle Silane

ermöglichen eine bessere

Haftung von Beschichtungen


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Chemische Anbindung an Organische Polymere

Die wichtigsten Mechanismen der Anbindung sind:

- Endcapping

- Radikalische Pfropfung

- Copolymerisation

In den meisten Fällen erhält man silanmodifizierte Polymere, die über die restlichen Si-

Alkoxygruppen unter Ausbildunbg stabiler Siloxanverbindungen vernetzen oder z.B. an

Füllstoffe andocken können.

Endcapping

Beim Endcapping reagiert die organofunktionelle Gruppe des Silans mit einer funktionellen des

Prepolymers, in dem es eine kovalente Bindung eingeht.

Die Silanwahl hängt von dem Polymer ab. Möglich sind z.B. Aminosilane+Acryl/Methacryl-

Polymere oder Amino- und Epoxy/Glycidoxysilane+Epoxidharz-Vorstufen.


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Radikalische Pfropfung

Ungesättigte Silane, wie z.B. Vinyl- oder Methacryloxysilane, lassen sich über eine radikalische

Pfropfreaktion an Polymerketten anbinden, z.B. Vinylsilane+Polyolefine.

Copolymerisation

Die polymerisierbare organofunktionelle Gruppe eines Silans (z.B. Methacryloxy- oder

Vinylsilan) wird bei der Herstellung des Polymers in die Kette einpolymerisiert, z.B.

Methacryloxysilane+monomere Acrylate/Methacrylate, Styrol

Die Auswahl eines geeigneten Silans ist recht komplex. Type und Dosierung müssen in der Regel

individuell angepasst werden.

Vinyl-, Methacryloxysilan

Vinyl-, Methacryloxysilan


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Hauptanwendungen von einigen Organofunktionellen Silanen:

Aminosilane (R=Amino)

AMEO AMinopropyltriEthOxysilane

AMMO AMinopropyltriMethOxysilane

DAMO DiAminoMethOxysilane

Haftvermittler, Kopplungsmittel, Harzadditiv;

Erhöhen chem.Bindung von Harzen zu

anorganischen Füllstoffen und

Verstärkungsmaterialien (Reinforcement); Für Epoxidharze, Phenole, Melamine, Nylons, PVC,

Acrylics, Polyolefine, Polyurethane, Nitril-Rubber;

Oberflächennachbehandlung von Füllstoffen

Vinylsilane (R=Vinyl)

VTMO VinylTriMethoxysilane

VTEO VinylTriEthoxysilane

Kopplungsmittel, Crosslinker;

Schwefel- und peroxidhärtende Rubber, Polyester,

Polyolefine, Styrene und Acrylics,

Wasserfänger (Scavanger); Oberflächenbehandlung (pre-oder in-situ) von

mineralische Füllstoffen für Kunststoffe

Methacrylsilane (R=Methacryl)

MEMO MEthacryloxypropyltriMethOxysilane

Haftvermittler (speziell für ungesättigte

Harzsysteme) und Kopplungsmittel für Füllstoffe und Fiberglass zu Harzen;

Feuchtigkeitsvernetzung von Acrylics

Alkylsilane (R=Alkyl) N-OTES (OCTEO) n-OCtylTriEthOxysilane

N-OTMS (OCTMO) n-OCtylTriMethOxysilane

Hydrophobe Oberflächenbehandlung von Füllstoffen und anorganischen Oberflächen;

Silicon Synthese

Epoxysilane (R=Glycidoxy)

GLYMO GLycidoxypropyltriMethOxysilane

Haftvermittler für Epoxies, Urethane, Acrylate,

Oberflächenbehandlung von Füllstoffen und Verstärkern auf z.B. Glas, Aluminium

R=R'

TEOS TetraEthOxysilane

Sol-Gel, Crosslinker, Steinhärtung, Chemische

Synthese

Wasserfänger

Als Wasserfänger in Lackanwendungen, aber insbesondere in der Kleb- und

Dichststoffformulierung kommt Vinyltrimethoxysilan zur Anwendung. Durch die elektronischen

Eigenschaften der Vinylgruppe hydrolysieren die SI-Gruppen in diesem Silan wesentlich

schneller als in gesättigten aliphatischen Alkylalkoxysilanen. In die Formulierungen

eingetragene Feuchtigkeit wird unter Bildung von Methanol abgefangen und führt zur

Kondensation des Vinylsilans. Erst wenn dieses weitgehend abreagiert ist, erfolgt die

Vernetzung der anderen Silanbausteine.


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Fazit

Mit Silanen können Haftungsprobleme gelöst werden, indem das anorganische Substrat mit

einem Silanprimer vorbehandelt wird.

In manchen Fällen kann das Silan auch direkt in die Lackformulierung gegeben werden

(Anwendung als Additiv). Bei einem additiven Einsatz des Silans in Lackformulierungen kann die

Wirksamkeit durch Nebenreaktionen mit den Lackkomponenten beeinträchtigt und die

Haftvermittlung reduziert werden. Für die Benetzung der Oberflächen sind die

Mengenverhältnisse der Komponenten sowie die Polarität des Lösungsmittels entscheidend.

Die Benetzung kann aber auch durch die Substratoberfläche beeinflusst werden. Sie muss fett,

staub- und korrosionsfrei sowie ausreichend reaktiv sein. Für mache Substrate kann eine

Reinigung mit Lösemitteln ausreichend sein, während andere mit alkalischen oder sauren

Reinigern zuerst gereinigt und aktiviert werden müssen. Andere müssen geschliffen und

gestrahlt werden .Die Primerlösung muss die Substratoberfläche gut benetzen. Für die

Silankonzentration ist die Oberflächenrauhigkeit des Substrates mitentscheidend.

Primerlösungen für glatte Oberflächen benötigen weniger Silan als rauhe Oberflächen.

Bei der Formulierung eines Silanprimers wird in der Regel das Lösungsmittel vorgelegt,

eventuell Wasser und Hydrolysekatalysator (Essigsäure) zugegeben, das Silan unter Rühren

langsam zugefügt und homogen gerührt. Die fertige Lösung sollte klar bis maximal schwach

gelblich gefärbt sein. Bei Verwendung von Aminosilanen kann sich die Lösung bei der

Silanzugabe auf bis zu ca. 50°C erwärmen. Lagerstabilitäten von gebrauchsfertigen Primern

können abhängig vom Silan und der Anwendung von einer Woche bis einem Jahr variieren.

Die Lagerstabilität einer Formulierung sollte für jede Anwendung geprüft werden.

Einsatzerkenntnisse wurden u.a. z.B. mit Produkten von DowCorning/Xiameter gewonnen.

AMEO=Xiameter OFS-6011, VTMO=Xiameter OFS-6300, GLYMO=Xiameter OFS-6040.

Literaturnachweise:

RÖMPP Kompakt-Basislexikon Chemie

„Silicon Technik-ein Kompendium für Praxis, Lehre und Selbststudium“, Andreas Tomanek,

Hanser-Verlag

DowCorning-The Basics of Silane Chemistry

DowCorning- Gerald L. Witucki-A Silan Primer: Chemistry an Applications of Alkoxy Silanes


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Inhaltlich Verantwortlich und Fragen an:

Michael Schäfer

Technischen Außendienst Europa

BCD Chemie GmbH -

[email protected]

+49 (0) 0162/2596426

BCD Chemie GmbH - Schellerdamm 16 - 21079 Hamburg

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