Nein, das wird nicht langweilig, versprochen – vor allem, wenn du dehnbare Gummiprodukte magst. Lies weiter und du erfährst fast alles, was du jemals über Einkomponenten-Silikondichtstoffe wissen wolltest.
1) Was sie sind
2) Wie man sie herstellt
3) Wo man sie einsetzen kann
Einführung
Was ist ein einkomponentiges Silikondichtmittel?
Es gibt viele Arten von chemisch härtenden Dichtstoffen – Silikon, Polyurethan und Polysulfid sind die bekanntesten. Der Name leitet sich von der Grundstruktur der beteiligten Moleküle ab.
Das Silikongerüst besteht aus:
Si – O – Si – O – Si – O – Si
Modifiziertes Silikon ist eine neue Technologie (zumindest in den USA) und bezeichnet im Grunde ein organisches Grundgerüst, das mit Silanchemie gehärtet wird. Ein Beispiel hierfür ist mit Alkoxysilan terminiertes Polypropylenoxid.
Alle diese chemischen Systeme können entweder ein- oder zweikomponentig sein, was sich natürlich auf die Anzahl der benötigten Komponenten für die Aushärtung bezieht. Einkomponentig bedeutet, dass man einfach die Tube, Kartusche oder den Eimer öffnet und das Material aushärtet. Normalerweise reagieren diese einkomponentigen Systeme mit der Luftfeuchtigkeit und bilden Gummi.
Ein einkomponentiges Silikon ist also ein System, das in der Tube stabil ist, bis es bei Kontakt mit Luft aushärtet und Silikonkautschuk bildet.
Vorteile
Einkomponenten-Silikone bieten viele einzigartige Vorteile.
Bei korrekter Mischung sind sie sehr stabil und zuverlässig mit hervorragender Haftung und physikalischen Eigenschaften. Eine Haltbarkeit von mindestens einem Jahr ist üblich, manche Formulierungen halten sogar viele Jahre. Silikone bieten zudem unbestritten die beste Langzeitleistung. Ihre physikalischen Eigenschaften verändern sich kaum, UV-Strahlung hat keinen Einfluss, und außerdem weisen sie eine ausgezeichnete Temperaturstabilität auf, die die anderer Dichtstoffe um mindestens 50 °C übertrifft.
Einkomponenten-Silikone härten relativ schnell aus. Typischerweise bildet sich innerhalb von 5 bis 10 Minuten eine Haut, die nach einer Stunde nicht mehr klebfähig ist und innerhalb eines Tages zu einem etwa 2,5 mm dicken, elastischen Gummi aushärtet. Die Oberfläche fühlt sich angenehm gummiartig an.
Da sie durchscheinend gemacht werden können, was an sich schon eine wichtige Eigenschaft ist (durchscheinend ist die am häufigsten verwendete Farbe), lassen sie sich relativ einfach in jeder beliebigen Farbe pigmentieren.
Einschränkungen
Silikone haben zwei wesentliche Einschränkungen.
1) Sie können nicht mit wasserbasierter Farbe gestrichen werden - auch mit lösemittelbasierter Farbe kann es schwierig sein.
2) Nach dem Aushärten kann das Dichtmittel einen Teil seines Silikonweichmachers freisetzen, was bei Verwendung in einer Gebäudedehnfuge zu unansehnlichen Flecken entlang der Fugenkante führen kann.
Aufgrund der einkomponentigen Natur des Materials ist eine schnelle Aushärtung tieferer Bereiche unmöglich, da das System mit der Luft reagieren und somit von oben nach unten aushärten muss. Genauer gesagt: Silikone eignen sich nicht als alleinige Dichtung für Isolierglasfenster, da sie zwar flüssiges Wasser hervorragend abhalten, Wasserdampf jedoch relativ leicht durch den ausgehärteten Silikonkautschuk dringt und die Isolierglasscheiben beschlagen lässt.
Marktgebiete und Anwendungsbereiche
Einkomponenten-Silikone werden so gut wie überall eingesetzt, auch dort, wo – zum Leidwesen mancher Gebäudebesitzer – die beiden oben genannten Einschränkungen Probleme verursachen.
Der Bau- und Heimwerkermarkt macht den größten Anteil aus, gefolgt von der Automobil-, Industrie-, Elektronik- und Luft- und Raumfahrtbranche. Wie alle Dichtstoffe besteht die Hauptfunktion von Einkomponenten-Silikonen darin, die Fuge zwischen zwei gleichen oder unterschiedlichen Materialien zu füllen und so das Eindringen von Wasser oder Zugluft zu verhindern. Manchmal wird die Rezeptur nur geringfügig verändert, um die Fließfähigkeit zu verbessern, wodurch das Produkt zu einer Beschichtung wird. Die Unterscheidung zwischen Beschichtung, Klebstoff und Dichtstoff ist einfach: Ein Dichtstoff dichtet zwischen zwei Oberflächen ab, während eine Beschichtung nur eine Oberfläche abdeckt und schützt, und ein Klebstoff zwei Oberflächen umfassend miteinander verbindet. Ein Dichtstoff ähnelt am ehesten einem Klebstoff, wenn er in Strukturverglasungen oder Isolierverglasungen verwendet wird; dennoch dient er zusätzlich zur Verbindung der beiden Materialien auch der Abdichtung.
Grundlagen der Chemie
Silikondichtstoff im ungehärteten Zustand ähnelt normalerweise einer dicken Paste oder Creme. Bei Kontakt mit Luft hydrolysieren die reaktiven Endgruppen des Silikonpolymers (reagieren mit Wasser) und verbinden sich unter Freisetzung von Wasser zu langen Polymerketten, die weiter miteinander reagieren, bis die Paste schließlich zu einem widerstandsfähigen Gummi wird. Die reaktiven Gruppen am Ende des Silikonpolymers stammen vom wichtigsten Bestandteil der Formulierung (neben dem Polymer selbst): dem Vernetzer. Dieser verleiht dem Dichtstoff seine charakteristischen Eigenschaften – entweder direkt, wie Geruch und Aushärtungsgeschwindigkeit, oder indirekt, wie Farbe und Haftung, aufgrund anderer Rohstoffe, die in spezifischen Vernetzungssystemen verwendet werden können, wie Füllstoffe und Haftvermittler. Die Wahl des richtigen Vernetzers ist entscheidend für die endgültigen Eigenschaften des Dichtstoffs.
Aushärtungsarten
Es gibt mehrere verschiedene Aushärtungssysteme.
1) Acetoxy (säuerlicher Essiggeruch)
2) Oxim
3) Alkoxy
4) Benzamid
5) Amin
6) Aminoxy
Oxime, Alkoxie und Benzamide (die in Europa häufiger verwendet werden) zählen zu den sogenannten neutralen oder nicht-sauren Systemen. Amine und Aminoxide riechen nach Ammoniak und werden typischerweise eher in der Automobilindustrie, der Industrie oder für bestimmte Anwendungen im Außenbereich eingesetzt.
Rohstoffe
Die Rezepturen bestehen aus mehreren verschiedenen Komponenten, von denen einige je nach beabsichtigtem Verwendungszweck optional sind.
Die einzigen absolut notwendigen Rohstoffe sind reaktives Polymer und Vernetzer. Allerdings werden fast immer Füllstoffe, Haftvermittler, nicht reaktive (weichmachende) Polymere und Katalysatoren zugesetzt. Darüber hinaus können zahlreiche weitere Additive wie Farbpasten, Fungizide, Flammschutzmittel und Wärmestabilisatoren verwendet werden.
Grundrezepturen
Eine typische Oxim-Konstruktions- oder Heimwerker-Dichtstoffrezeptur sieht etwa 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 spezifische Oberfläche pyrogene Kieselsäure | 8 | Füllstoff |
| Dibutylzinndilaurat | 0,1 | Katalysator |
| Gesamt | 100 |
Physikalische Eigenschaften
Typische physikalische Eigenschaften sind:
| Dehnung (%) | 550 |
| Zugfestigkeit (MPa) | 1.9 |
| Elastizitätsmodul bei 100 Dehnung (MPa) | 0,4 |
| Shore-A-Härte | 22 |
| Hautüberschuss (min) | 10 |
| Zeit ohne Reißzwecken (min) | 60 |
| Scratch-Zeit (min) | 120 |
| Durchgehärtet (mm in 24 Stunden) | 2 |
Formulierungen mit anderen Vernetzern ähneln sich möglicherweise im Vernetzungsgrad, der Art des Haftvermittlers und den Härtungskatalysatoren. Ihre physikalischen Eigenschaften variieren geringfügig, sofern keine Kettenverlängerer eingesetzt werden. Manche Systeme lassen sich nur mit einer großen Menge Kreidefüllstoff herstellen. Solche Formulierungen können naturgemäß nicht in klarer oder transluzenter Form produziert werden.
Entwicklung von Dichtstoffen
Die Entwicklung eines neuen Dichtstoffs umfasst drei Phasen.
1) Konzeption, Produktion und Erprobung im Labor – sehr kleine Mengen
Hier hat der Laborchemiker neue Ideen und beginnt typischerweise mit einer kleinen, manuellen Mischung von etwa 100 Gramm Dichtstoff, um zu sehen, wie er aushärtet und welche Art von Gummi entsteht. Nun ist eine neue Maschine erhältlich: der „Hauschild Speed Mix“ von FlackTek Inc. Diese Spezialmaschine eignet sich ideal zum Mischen dieser kleinen 100-Gramm-Mengen in Sekundenschnelle und entfernt dabei die Luft. Das ist wichtig, da der Entwickler so die physikalischen Eigenschaften dieser kleinen Mengen direkt testen kann. Pyrogene Kieselsäure oder andere Füllstoffe wie gefällte Kreiden lassen sich in etwa 8 Sekunden in das Silikon einmischen. Das Entlüften dauert etwa 20–25 Sekunden. Die Maschine arbeitet mit einem doppelten asymmetrischen Zentrifugenmechanismus, der die Partikel selbst als Mischarme nutzt. Die maximale Mischmenge beträgt 100 Gramm, und es sind verschiedene Bechertypen erhältlich, darunter auch Einwegbecher, was bedeutet, dass keine Reinigung erforderlich ist.
Entscheidend für die Herstellung des Produkts sind nicht nur die Art der Inhaltsstoffe, sondern auch deren Reihenfolge und die Mischzeiten. Der Ausschluss von Luft ist natürlich wichtig für die Haltbarkeit, da Luftblasen Feuchtigkeit enthalten, die das Dichtmittel von innen aushärten lässt.
Sobald der Chemiker das für seine Anwendung benötigte Dichtmittel hergestellt hat, verwendet er einen Planetenmischer mit einem Fassungsvermögen von 1 Liter, der etwa 3–4 kleine Tuben à 110 ml (3 oz) produziert. Diese Menge reicht für erste Haltbarkeits- und Haftungstests sowie für eventuelle weitere spezielle Anforderungen aus.
Anschließend kann er eine 1- oder 2-Gallonen-Maschine verwenden, um 8–12 Tuben à 10 Unzen für detailliertere Tests und Kundenmuster herzustellen. Das Dichtmittel wird aus dem Behälter durch einen Metallzylinder in die Kartusche extrudiert, die über den Verpackungszylinder gestülpt wird. Nach diesen Tests ist er bereit für die Produktionsausweitung.
2) Skalierung und Feinabstimmung – mittlere Lautstärken
Bei der Maßstabsvergrößerung wird die Laborformulierung nun auf einer größeren Anlage 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-Pfund-Größe und dieser größeren Größe gibt, die sich aus Misch- und Dispersionsraten, Reaktionsraten und unterschiedlichen Scherkräften in der Mischung ergeben können, und
b) um genügend Material für die Bemusterung mit potenziellen Kunden zu produzieren und um echtes Feedback aus der Praxis zu erhalten.
Diese 50-Gallonen-Maschine ist auch für Industrieprodukte sehr nützlich, wenn geringe Mengen oder spezielle Farben benötigt werden und jeweils nur etwa ein Fass jeder Sorte produziert werden muss.
Es gibt verschiedene Arten von Mischmaschinen. Die beiden gebräuchlichsten sind Planetenmischer (siehe Abbildung oben) und Hochgeschwindigkeits-Dispergiermaschinen. Planetenmischer eignen sich gut für höher viskose Mischungen, während Dispergiermaschinen insbesondere bei niedrigviskosen, fließfähigen Systemen bessere Ergebnisse erzielen. Bei typischen Baudichtstoffen können beide Maschinentypen eingesetzt werden, sofern die Mischzeit und die potenzielle Wärmeentwicklung einer Hochgeschwindigkeits-Dispergiermaschine beachtet werden.
3) Produktionsmengen im vollen Umfang
Die Endproduktion, die chargenweise oder kontinuierlich erfolgen kann, reproduziert idealerweise die endgültige Rezeptur aus der Scale-up-Phase. Üblicherweise wird zunächst eine relativ kleine Menge (2 oder 3 Chargen oder 1–2 Stunden kontinuierliche Produktion) des Materials in den Produktionsanlagen hergestellt und geprüft, bevor die reguläre Produktion beginnt.
Testen – Was und wie testet man?
Was
Physikalische Eigenschaften – Dehnung, Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul
Haftung auf geeignetem Substrat
Haltbarkeit – sowohl beschleunigt als auch bei Raumtemperatur
Aushärtungsgeschwindigkeit – Hautbildung im Laufe der Zeit, Haftfestigkeit nach kurzer Zeit, Kratzfestigkeit und Durchhärtung, Farbstabilität bei Temperatur bzw. Stabilität in verschiedenen Flüssigkeiten wie Öl
Darüber hinaus werden weitere wichtige Eigenschaften geprüft bzw. beobachtet: Konsistenz, geringer Geruch, Korrosivität und allgemeines Erscheinungsbild.
Wie
Eine Dichtstoffbahn wird ausgerollt und eine Woche lang aushärten gelassen. Anschließend wird eine spezielle Hantelprobe ausgeschnitten und in ein Zugprüfgerät eingesetzt, um physikalische Eigenschaften wie Dehnung, Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit zu messen. Diese Prüfgeräte werden auch zur Messung von Adhäsions- und Kohäsionskräften an speziell präparierten Proben verwendet. Einfache Ja/Nein-Haftungstests werden durchgeführt, indem an Materialraupen gezogen wird, die auf den jeweiligen Untergründen ausgehärtet sind.
Ein Shore-A-Messgerät misst die Härte von Gummi. Es besteht aus einem Gewicht und einer Messspitze, die in die ausgehärtete Probe gedrückt wird. Je tiefer die Spitze in den Gummi eindringt, desto weicher ist er und desto niedriger ist der Messwert. Typische Baudichtstoffe weisen eine Shore-A-Härte zwischen 15 und 35 auf.
Die Hautüberzugszeit, die Zeit ohne Klebrigkeit und andere spezielle Hautmessungen werden entweder mit dem Finger oder mit beschwerten Kunststofffolien durchgeführt. Gemessen wird die Zeit, bis sich die Folie rückstandsfrei abziehen lässt.
Zur Bestimmung der Haltbarkeit werden Dichtmittelkartuschen entweder bei Raumtemperatur (was naturgemäß ein Jahr dauert, um eine einjährige Haltbarkeit nachzuweisen) oder bei erhöhten Temperaturen, typischerweise 50 °C, für 1, 3, 5, 7 Wochen usw. gealtert. Nach der Alterung (im beschleunigten Fall kühlt die Kartusche ab) wird das Material aus der Kartusche extrudiert und zu einer Platte gezogen, in der es aushärtet. Die physikalischen Eigenschaften des in diesen Platten gebildeten Kautschuks werden wie zuvor geprüft. Diese Eigenschaften werden dann mit denen von frisch gemischten Materialien verglichen, um die geeignete Haltbarkeit zu bestimmen.
Eine genaue und detaillierte Beschreibung der meisten erforderlichen Prüfungen findet sich im ASTM-Handbuch.
Einige abschließende Tipps
Einkomponenten-Silikone sind die hochwertigsten Dichtstoffe auf dem Markt. Sie haben jedoch ihre Grenzen und können bei speziellen Anforderungen individuell entwickelt werden.
Es ist entscheidend, sicherzustellen, dass alle Rohstoffe so trocken wie möglich sind, die Rezeptur stabil ist und die Luft im Produktionsprozess entfernt wird.
Die Entwicklung und Prüfung erfolgt im Grunde für jeden Einkomponenten-Dichtstoff unabhängig vom Typ nach dem gleichen Verfahren – stellen Sie nur sicher, dass Sie alle möglichen Eigenschaften geprüft haben, bevor Sie mit der Herstellung von Produktionsmengen beginnen, und dass Sie ein klares Verständnis der Anforderungen der Anwendung haben.
Je nach Anwendungsanforderungen kann die passende Härtungschemie ausgewählt werden. Wenn beispielsweise Silikon verwendet werden soll und Geruch, Korrosion und Haftung keine wichtige Rolle spielen, aber ein niedriger Preis gewünscht ist, ist Acetoxy die richtige Wahl. Sind hingegen Metallteile betroffen, die korrodieren könnten, oder wird eine spezielle Haftung auf Kunststoff in einer besonderen, glänzenden Farbe benötigt, ist ein Oxim erforderlich.
[1] Dale Flackett. Siliciumverbindungen: Silane und Silikone [M]. Gelest Inc: 433-439
* Foto von OLIVIA Silikondichtstoff
Veröffentlichungsdatum: 31. März 2024
