Von den industriell genutzten Verfahren hat vor allem die Additionsvernetzung große Bedeutung: Der Vernetzungsprozess setzt keine Spaltprodukte frei und ermöglicht die Herstellung von besonders hochwertigen Silicon-Elastomeren. Das Verfahren hat allerdings einen Nachteil: Die zur Vernetzung benötigten Katalysatoren enthalten Edelmetalle wie etwa Platin. Das macht die Herstellung relativ teuer. Zudem verbleiben die Edelmetalle dauerhaft im Silicon.

Gespannte Ringe statt Edelmetall

Matthias Nobis mit einer neu entwickelten Silicon-Formulierung. (Bildquelle: Andreas Heddergott / TUM)

Matthias Nobis mit einer neu entwickelten Silicon-Formulierung. (Bildquelle: Andreas Heddergott / TUM)

Einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Bernhard Rieger, Inhaber des Wacker-Lehrstuhls für Makromolekulare Chemie, und Dr. Richard Weidner, zuständig für die Organosilicium-Forschung am Consortium für elektrochemische Industrie, gelang es nun, Siliconkautschuke ohne edelmetallhaltige Katalysatoren zu vulkanisieren. Statt der sonst üblichen Vernetzer verwendeten sie dazu Siliconbausteine, die Siliran-Einheiten enthalten.

Silirane sind gespannte und damit reaktive Dreiringe. Sie bestehen aus einem Silicium- und zwei Kohlenstoff-Atomen. Unter Ringöffnung reagieren sie direkt mit geeigneten funktionellen Gruppen ohne Freisetzung von Nebenprodukten oder können durch thermische und photochemische Aktivierung sogenannte Silylene erzeugen. Diese hochreaktiven Verbindungen können wiederum mit allen funktionellen Gruppen und Synthesebausteinen reagieren, die bei der Herstellung von Siliconkautschuk üblicherweise eingesetzt werden. Je nach Art der Aktivierung und Wahl der Ausgangsverbindungen lassen sich somit Silicone mit siliranhaltigen Vernetzern auf unterschiedlichen Wegen vernetzen.

Ohne flüchtige Substanzen und Spuren von Edelmetallen

Siliran-Einheiten machen die teuren Edelmetall-Katalysatoren überflüssig, die bisher zur Vernetzung der Silicone gebraucht werden. (Bildquelle: Andreas Heddergott / TUM)

Siliran-Einheiten machen die teuren Edelmetall-Katalysatoren überflüssig, die bisher zur Vernetzung der Silicone gebraucht werden. (Bildquelle: Andreas Heddergott / TUM)

Im Labor konnten die Forscher des Wacker-Instituts nun mit ausgewählten Siliconformulierungen zeigen, dass eine Vernetzung des Siliconkautschuks auf diese Weise möglich ist. Die Endeigenschaften werden dabei allein durch die Wahl der Ausgangsprodukte und deren Mischungsverhältnis bestimmt. Die auf diese Weise hergestellten Siliconelastomere zeichnen sich durch eine sehr hohe Reinheit aus. Sie enthalten weder flüchtige Substanzen noch Spuren von Edelmetallen. „Das gilt vor allem für Elastomere, die mittels einer Ringöffnung vernetzt wurden. Solche Silicone sind insbesondere für medizinische Einsatzzwecke oder als Vergussmaterialien für die Elektroindustrie geeignet“, sagt Rieger.

Die vorliegende Arbeit ist auch deshalb wegweisend, weil sie erstmals zeigt, wie derartig hochreaktive Siliciumverbindungen für eine industrielle Anwendung prinzipiell nutzbar gemacht werden können. Bis zur Praxistauglichkeit und industriellen Nutzung müssen die Forscher jedoch noch einige Hürden nehmen. „Die Vorteile des Verfahrens sind aber schon jetzt klar zu erkennen“, sagt Rieger. „Vor dem Hintergrund, dass der Bedarf nach Edelmetallen weltweit steigt, diese aber nur begrenzt zur Verfügung stehen, können alternative Konzepte wie die edelmetallfreie Vernetzung von Silicon mit Hilfe von Siliranen einen wichtigen Beitrag zur Schonung unserer Ressourcen leisten.“ (jhn)

Publikation:

Fabian A. D. Herz, Matthias Nobis, Daniel Wendel, Philipp Pahl, Philipp J. Altmann, Jan Tillmann, Richard Weidner, Shigeyoshi Inoue and Bernhard Rieger

Application of multifunctional silylenes and siliranes as universal crosslinkers for metal-free curing of silicones

Green Chem., 2020, 22, 4489-4497 – DOI: 10.1039/D0GC00272K