Nein, das wird nicht langweilig, ehrlich – vor allem, wenn Sie dehnbare Gummiteile lieben. Wenn Sie weiterlesen, erfahren Sie fast alles, was Sie schon immer über Einkomponenten-Silikondichtstoffe wissen wollten.
1) Was sie sind
2) Wie man sie macht
3) Wo sie eingesetzt werden
Einführung
Was ist ein Einkomponenten-Silikondichtstoff?
Es gibt viele Arten chemisch härtender Dichtstoffe – Silikon, Polyurethan und Polysulfid sind die bekanntesten. Der Name leitet sich vom Grundgerüst der beteiligten Moleküle ab.
Das Silikon-Rückgrat besteht aus:
Si – O – Si – O – Si – O – Si
Modifiziertes Silikon ist eine neue Technologie (zumindest in den USA) und bezeichnet ein organisches Grundgerüst, das mit Silanchemie gehärtet wird. Ein Beispiel hierfür ist Polypropylenoxid mit Alkoxysilan-Endgruppen.
Alle diese Chemikalien können ein- oder zweiteilig sein, was sich natürlich auf die Anzahl der Teile bezieht, die Sie zum Aushärten benötigen. Einteilig bedeutet also einfach: Öffnen Sie die Tube, Kartusche oder den Eimer, und Ihr Material härtet aus. Normalerweise reagieren diese Einkomponentensysteme mit der Luftfeuchtigkeit zu Gummi.
Ein Einkomponenten-Silikon ist also ein System, das in der Tube stabil ist, bis es an der Luft aushärtet und einen Silikonkautschuk bildet.
Vorteile
Einkomponenten-Silikone haben viele einzigartige Vorteile.
Bei richtiger Mischung sind sie sehr stabil und zuverlässig und zeichnen sich durch hervorragende Haftung und physikalische Eigenschaften aus. Eine Haltbarkeit (die Zeit, die Sie in der Tube lassen können, bevor Sie sie verwenden) von mindestens einem Jahr ist üblich, wobei einige Formulierungen viele Jahre haltbar sind. Silikone haben zudem zweifellos die beste Langzeitleistung. Ihre physikalischen Eigenschaften verändern sich im Laufe der Zeit kaum, unabhängig von UV-Einwirkung. Darüber hinaus weisen sie eine ausgezeichnete Temperaturstabilität auf, die die anderer Dichtstoffe um mindestens 50 °C übertrifft.
Einkomponenten-Silikone härten relativ schnell aus. Sie bilden typischerweise innerhalb von 5 bis 10 Minuten eine Haut, werden innerhalb einer Stunde klebfrei und härten in weniger als einem Tag zu einem elastischen Gummi mit einer Dicke von etwa 1/10 Zoll aus. Die Oberfläche fühlt sich angenehm gummiartig an.
- Da sie durchscheinend gemacht werden können, was an sich schon ein wichtiges Merkmal ist (durchscheinend ist die am häufigsten verwendete Farbe), ist es relativ einfach, sie in jede beliebige Farbe zu pigmentieren.
Einschränkungen
Silikone haben zwei Haupteinschränkungen.
1) Sie können nicht mit wasserbasierter Farbe gestrichen werden – auch mit lösungsmittelbasierter Farbe kann es schwierig sein.
2) Nach dem Aushärten kann das Dichtmittel einen Teil seines Silikonweichmachers freisetzen, der bei der Verwendung in einer Gebäudedehnungsfuge unschöne Flecken entlang der Fugenkante verursachen kann.
Da es sich um ein Einkomponentensystem handelt, ist es natürlich unmöglich, einen schnellen, tiefen Schnitt durch die Aushärtung zu erzielen, da das System mit der Luft reagieren muss und daher von oben nach unten aushärtet. Um etwas genauer zu werden: Silikone können nicht als alleinige Dichtung in Isolierglasfenstern verwendet werden, weil sie zwar flüssiges Wasser hervorragend abhalten, Wasserdampf jedoch relativ leicht durch den ausgehärteten Silikonkautschuk dringt und die Isolierglaseinheiten beschlagen lässt.
Marktbereiche und Nutzungen
Einkomponenten-Silikone werden praktisch überall verwendet, auch dort, wo die beiden oben genannten Einschränkungen Probleme verursachen, was zum Leidwesen mancher Bauherren führt.
Der größte Anteil entfällt auf die Bau- und Heimwerkermärkte, gefolgt von der Automobil-, Industrie-, Elektronik- und Luft- und Raumfahrtbranche. Wie bei allen Dichtungsmitteln besteht die Hauptfunktion von Einkomponenten-Silikonen darin, zu haften und die Lücke zwischen zwei ähnlichen oder unähnlichen Substraten zu füllen, um das Eindringen von Wasser oder Zugluft zu verhindern. Manchmal wird eine Formulierung kaum verändert, außer dass sie fließfähiger gemacht wird, woraufhin sie zu einer Beschichtung wird. Die beste Möglichkeit, zwischen einer Beschichtung, einem Klebstoff und einem Dichtungsmittel zu unterscheiden, ist einfach. Ein Dichtungsmittel dichtet zwischen zwei Oberflächen ab, während eine Beschichtung nur eine Oberfläche bedeckt und schützt und ein Klebstoff zwei Oberflächen großflächig zusammenhält. Ein Dichtungsmittel ähnelt einem Klebstoff am meisten, wenn es in Strukturverglasungen oder Isolierverglasungen verwendet wird. Seine Funktion ist jedoch ebenfalls, die beiden Substrate abzudichten und sie zusammenzuhalten.
Grundlegende Chemie
Im nicht ausgehärteten Zustand sieht das Silikondichtmittel normalerweise wie eine dicke Paste oder Creme aus. An der Luft hydrolysieren (reagieren mit Wasser) die reaktiven Endgruppen des Silikonpolymers und verbinden sich dann miteinander, wobei Wasser freigesetzt wird und lange Polymerketten entstehen, die weiter miteinander reagieren, bis sich die Paste schließlich in einen beeindruckenden Gummi verwandelt. Die reaktive Gruppe am Ende des Silikonpolymers stammt vom wichtigsten Teil der Formulierung (abgesehen vom Polymer selbst), nämlich dem Vernetzer. Es ist der Vernetzer, der dem Dichtmittel seine charakteristischen Eigenschaften verleiht, entweder direkt, wie Geruch und Aushärtungsgeschwindigkeit, oder indirekt, wie Farbe, Haftung usw., aufgrund der anderen Rohstoffe, die mit bestimmten Vernetzersystemen verwendet werden können, wie Füllstoffe und Haftvermittler. Die Auswahl des richtigen Vernetzers ist entscheidend für die Bestimmung der endgültigen Eigenschaften des Dichtmittels.
Aushärtungsarten
Es gibt verschiedene Aushärtungssysteme.
1) Acetoxy (saurer Essiggeruch)
2) Oxim
3) Alkoxy
4) Benzamid
5) Amin
6) Aminoxy
Oxime, Alkoxide und Benzamide (in Europa häufiger verwendet) sind die sogenannten neutralen oder nicht sauren Systeme. Die Amine und Aminoxysysteme haben einen Ammoniakgeruch und werden typischerweise eher im Automobil- und Industriebereich oder bei bestimmten Bauanwendungen im Außenbereich eingesetzt.
Rohstoffe
Formulierungen bestehen aus mehreren unterschiedlichen Komponenten, von denen einige je nach beabsichtigter Endverwendung optional sind.
Die einzigen absolut notwendigen Rohstoffe sind reaktive Polymere und Vernetzer. Füllstoffe, Haftvermittler, nicht reaktive (weichmachende) Polymere und Katalysatoren werden jedoch fast immer zugesetzt. Darüber hinaus können viele weitere Additive wie Farbpasten, Fungizide, Flammschutzmittel und Wärmestabilisatoren verwendet werden.
Grundformulierungen
Eine typische Oxim-Konstruktion oder DIY-Dichtungsformulierung sieht ungefähr so aus:
| % | ||
| Polydimethylsiloxan, OH-terminiert, 50.000 cps | 65,9 | Polymer |
| Polydimethylsiloxan, trimethylterminiert, 1000 cps | 20 | Weichmacher |
| Methyltrioximinosilan | 5 | Vernetzer |
| Aminopropyltriethoxysilan | 1 | Haftvermittler |
| 150 m²/g Oberfläche pyrogene Kieselsäure | 8 | Füllstoff |
| Dibutylzinndilaurat | 0,1 | Katalysator |
| Gesamt | 100 |
Physikalische Eigenschaften
Typische physikalische Eigenschaften sind:
| Dehnung (%) | 550 |
| Zugfestigkeit (MPa) | 1.9 |
| Modul bei 100 Dehnung (MPa) | 0,4 |
| Shore-A-Härte | 22 |
| Hautbildung im Laufe der Zeit (min) | 10 |
| Klebfreie Zeit (min) | 60 |
| Kratzzeit (min) | 120 |
| Durchhärtung (mm in 24 Stunden) | 2 |
Formulierungen mit anderen Vernetzern sehen ähnlich aus, unterscheiden sich aber möglicherweise in der Vernetzerkonzentration, der Art des Haftvermittlers und den Härtungskatalysatoren. Ihre physikalischen Eigenschaften variieren leicht, sofern keine Kettenverlängerer verwendet werden. Manche Systeme lassen sich nur mit großen Mengen Kreidefüllstoff herstellen. Solche Formulierungen sind natürlich nicht in klarer oder durchscheinender Ausführung erhältlich.
Entwicklung von Dichtstoffen
Die Entwicklung eines neuen Dichtmittels erfolgt in drei Phasen.
1) Konzeption, Produktion und Test im Labor – sehr kleine Mengen
Hier hat der Laborchemiker neue Ideen und beginnt typischerweise mit einer Handcharge von etwa 100 Gramm Dichtungsmittel, nur um zu sehen, wie es aushärtet und welche Art von Gummi entsteht. Jetzt gibt es eine neue Maschine „The Hauschild Speed Mix“ von FlackTek Inc. Diese Spezialmaschine ist ideal, um diese kleinen 100-g-Chargen in Sekundenschnelle zu mischen und dabei die Luft zu entfernen. Das ist wichtig, da der Entwickler so nun die physikalischen Eigenschaften dieser kleinen Chargen tatsächlich testen kann. Pyrogene Kieselsäure oder andere Füllstoffe wie gefällte Kreiden können in etwa 8 Sekunden in das Silikon eingemischt werden. Das Entlüften dauert etwa 20-25 Sekunden. Die Maschine funktioniert mit einem dualen asymmetrischen Zentrifugenmechanismus, der im Grunde die Partikel selbst als ihre eigenen Mischarme verwendet. Die maximale Mischgröße beträgt 100 Gramm und es sind mehrere verschiedene Bechertypen verfügbar, darunter auch Einwegbecher, die also absolut keine Reinigung erfordern.
Entscheidend im Formulierungsprozess sind nicht nur die Art der Zutaten, sondern auch die Reihenfolge der Zugabe und die Mischzeiten. Natürlich ist der Ausschluss bzw. die Entfernung von Luft wichtig, um die Haltbarkeit des Produkts zu gewährleisten, da Luftblasen Feuchtigkeit enthalten, die das Dichtmittel von innen heraus aushärten lässt.
Sobald der Chemiker die für seine Anwendung benötigte Dichtmasse gefunden hat, kann er mit einem 1-Quart-Planetenmischer etwa 3-4 kleine Tuben à 110 ml (3 oz) herstellen. Dies reicht für erste Haltbarkeits- und Haftungstests sowie für alle weiteren Sonderanforderungen.
Anschließend kann er an einer 1- oder 2-Gallonen-Maschine 8–12 Tuben à 10 oz für ausführlichere Tests und Kundenproben herstellen. Das Dichtmittel wird aus dem Behälter durch einen Metallzylinder in die Kartusche gepresst, die über den Verpackungszylinder passt. Nach diesen Tests ist er bereit für die Skalierung.
2) Skalierung und Feinabstimmung der Mediumvolumina
Im Scale-up wird die Laborformulierung nun auf einer größeren Maschine hergestellt, typischerweise im Bereich von 100-200 kg oder etwa einem Fass. Dieser Schritt hat zwei Hauptzwecke
a) um festzustellen, ob es signifikante Unterschiede zwischen der 4-lb-Größe und dieser größeren Größe gibt, die sich aus Misch- und Dispersionsraten, Reaktionsraten und unterschiedlichen Scherkräften in der Mischung ergeben können, und
b) genügend Material zu produzieren, um potenzielle Kunden zu befragen und echtes Feedback aus der Praxis zu erhalten.
Diese 50-Gallonen-Maschine ist auch für Industrieprodukte sehr nützlich, wenn geringe Mengen oder spezielle Farben erforderlich sind und jeweils nur etwa ein Fass jeder Art produziert werden muss.
Es gibt verschiedene Arten von Mischmaschinen. Die beiden am häufigsten verwendeten sind Planetenmischer (siehe oben) und Hochgeschwindigkeitsdispergierer. Ein Planetenmischer eignet sich für Mischungen mit höherer Viskosität, während ein Dispergierer insbesondere bei fließfähigen Systemen mit niedrigerer Viskosität bessere Ergebnisse liefert. Für typische Baudichtstoffe können beide Maschinen verwendet werden, solange die Mischzeit und die potenzielle Wärmeentwicklung eines Hochgeschwindigkeitsdispergierers beachtet werden.
3) Produktionsmengen im vollen Umfang
Die endgültige Produktion, die chargenweise oder kontinuierlich erfolgen kann, reproduziert hoffentlich einfach die endgültige Formulierung aus dem Scale-up-Schritt. Normalerweise wird zunächst eine relativ kleine Menge (2 oder 3 Chargen oder 1–2 Stunden kontinuierlich) Material in der Produktionsanlage hergestellt und geprüft, bevor die normale Produktion beginnt.
Testen – Was und wie testen.
Was
Physikalische Eigenschaften – Dehnung, Zugfestigkeit und Modul
Haftung auf geeignetem Untergrund
Haltbarkeit – sowohl beschleunigt als auch bei Raumtemperatur
Aushärtungsraten – Hautbildung im Laufe der Zeit, klebfreie Zeit, Kratzzeit und Durchhärtung, Farben, Temperaturstabilität oder Stabilität in verschiedenen Flüssigkeiten wie Öl
Darüber hinaus werden weitere wichtige Eigenschaften geprüft bzw. beobachtet: Konsistenz, Geruchsarmut, Korrosivität und allgemeines Erscheinungsbild.
Wie
Eine Dichtungsbahn wird herausgezogen und eine Woche lang aushärten gelassen. Anschließend wird eine spezielle Hantel ausgeschnitten und in einen Zugprüfer eingesetzt, um physikalische Eigenschaften wie Dehnung, Modul und Zugfestigkeit zu messen. Sie werden auch verwendet, um Adhäsions-/Kohäsionskräfte an speziell vorbereiteten Proben zu messen. Einfache Ja-Nein-Haftungstests werden durchgeführt, indem an auf den jeweiligen Substraten ausgehärteten Materialperlen gezogen wird.
Ein Shore-A-Messgerät misst die Härte von Gummi. Dieses Gerät ähnelt einem Gewicht und einer Messlehre, wobei eine Spitze in die ausgehärtete Probe drückt. Je tiefer die Spitze in den Gummi eindringt, desto weicher ist der Gummi und desto niedriger ist der Wert. Ein typisches Baudichtmittel liegt im Bereich von 15 bis 35.
Hautbildungszeiten, Klebfreiheitszeiten und andere spezielle Hautmessungen werden entweder mit dem Finger oder mit Plastikfolien mit Gewichten durchgeführt. Gemessen wird die Zeit, bis sich die Folie sauber abziehen lässt.
Zur Bestimmung der Haltbarkeit werden Dichtmitteltuben entweder bei Raumtemperatur (was naturgemäß ein Jahr dauert, um eine Haltbarkeit von einem Jahr nachzuweisen) oder bei erhöhten Temperaturen, typischerweise 50 °C, für 1, 3, 5, 7 Wochen usw. gealtert. Nach dem Alterungsprozess (im beschleunigten Fall lässt man die Tube abkühlen) wird Material aus der Tube extrudiert und zu einer Platte gezogen, wo es aushärtet. Die physikalischen Eigenschaften des in diesen Platten gebildeten Gummis werden wie zuvor geprüft. Diese Eigenschaften werden dann mit denen von frisch gemischtem Material verglichen, um die entsprechende Haltbarkeit zu bestimmen.
Spezifische und detaillierte Erklärungen zu den meisten erforderlichen Tests finden Sie im ASTM-Handbuch.
Einige abschließende Tipps
Einkomponenten-Silikone sind die hochwertigsten Dichtungsmassen auf dem Markt. Sie unterliegen gewissen Einschränkungen und können bei besonderen Anforderungen speziell entwickelt werden.
Dabei ist darauf zu achten, dass alle Rohstoffe möglichst trocken sind, die Rezeptur stabil ist und im Produktionsprozess die Luft entfernt wird.
Die Entwicklung und Prüfung erfolgt grundsätzlich bei allen Einkomponenten-Dichtstoffen, unabhängig vom Typ, immer auf die gleiche Weise. Stellen Sie einfach sicher, dass Sie alle möglichen Eigenschaften geprüft haben, bevor Sie mit der Herstellung von Produktionsmengen beginnen, und dass Sie die Anforderungen der Anwendung genau kennen.
Je nach Anwendungsanforderungen kann die richtige Härtungschemie ausgewählt werden. Wird beispielsweise ein Silikon gewählt, bei dem Geruch, Korrosion und Haftung keine Rolle spielen, aber geringe Kosten erforderlich sind, ist Acetoxy die richtige Wahl. Handelt es sich jedoch um korrodierende Metallteile oder ist eine besondere Haftung auf Kunststoff in einer einzigartigen Glanzfarbe erforderlich, ist ein Oxim die richtige Wahl.
[1] Dale Flackett. Siliziumverbindungen: Silane und Silikone [M]. Gelest Inc: 433-439
* Foto von OLIVIA Silikondichtmittel
Veröffentlichungszeit: 31. März 2024
