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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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