Silikon-Elastomere sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Verantwortlich für deren Verbreitung in nahezu allen Bereichen unseres täglichen Lebens ist das vielfältige Eigenschaftsspektrum dieser anorganischen Elastomere. Sie zeichnen sich durch ihre hohe Temperaturbeständigkeit und chemische Beständigkeit aus. Die geringe Härte ohne den Einsatz von Weichmachern und die einfache Sterilisierbarkeit führten in den letzten Jahren dazu, dass Silikonschläuche vermehrt PVC-Schläuche als Katheter substituiert haben. Die Anwendung von Silikon-Elastomeren in Schnullern oder Flaschensaugern ist etabliert und auf ihr hohes Maß an Sicherheit und Biokompatibilität, Ihre Geruchs- und Geschmacksneutralität in Verbindung mit inerten Materialeigenschaften zurückzuführen. In Haushaltswaren ist der Werkstoff in Anwendungen, wie in Backunterlagen, Backformen oder Dichtungen von Kunststoffdosen etabliert.
Silikon ersetzt Latex und Naturkautschuk
Diese Materialeigenschaften haben in der Vergangenheit auch dazu geführt, dass zunehmend Latex- bzw. Naturkautschuk- basierte Produkte durch Silikon-Elastomere ersetzt wurden, da die synthetischen Elastomere gut gewebe- und hautverträglich sind und nach heutigem Kenntnisstand keine Allergien auslösen. Es ist belegt, dass ca. 2 % der Gesamtbevölkerung in Deutschland unter einer Latexallergie leidet. In der Medizinbranche werden sogar bis zu 17 % genannt[1]. Als typische Latex- / Naturkautschukprodukte sind neben Schnullern, Flaschensaugern und Schutzhandschuhen vor allem Uhrarmbänder zu nennen.
Bei den polymeren Uhrarmbändern finden im Wesentlichen drei verschiedene Materialien Verwendung. Neben dem bereits genannten Naturgummi und Silikon-Elastomeren wird auch TPU (Thermoplastische Polyurethan) eingesetzt. TPU hat jedoch den Nachteil, dass die Compounds in der Regel eine größere Härte und eine geringe UV-Beständigkeit im Vergleich zu Naturgummi und Silikon-Elastomeren aufweisen. Silikon-Elastomere sind aus den oben genannten Gründen interessant für diese Anwendung, jedoch hatten Sie in der Vergangenheit immer mit den im Vergleich zu TPU und Naturgummi schlechteren mechanischen Eigenschaften zu kämpfen. Dies gilt insbesondere für den niedrigen E-Modul (Elastizität) in Verbindung mit der geringeren Weiterreiß-festigkeit.
Faserverstärktes Silikon konkurriert mit TPU
Dies führte dazu, dass Silikon-Armbänder größer dimensioniert wurden, als vergleichbare Naturgummi- oder TPU-Uhrarmbänder, um die anwendungstypischen Tests zu bestehen. Hier ist insbesondere der Zug-/Torsionstest zu nennen. Bei diesem Test werden die zu prüfenden Uhrenarmbänder zwischen zwei Rollen unter einer konstanten Last von 60 N bis120 N gedehnt und 1.000-mal um ca. 90° tordiert. Unter diesen Testbedingungen versagen die meisten Armbänder aus Polymeren im Öse-/Stift-Bereich, da sich in diesem Bereich das Material am stärksten dehnt und die höchsten Spannungen auftreten. Eine neue Materialentwicklung von Momentive Performance Materials (MPM) setzt genau an dieser Stelle an und hat zum Ziel, die hohe Dehnbarkeit der Silikon-Elastomere herabzusetzen. Dies wurde durch eine Kombination aus Flüssig-Silikon-Kautschuk (LSR) und Synthesefasern erreicht. Durch eine optimierte Zusammensetzung und Compoundierung wurde eine Verdopplung der Steifheit bis zu einer Dehnung von 40 % erreicht.
Mit Laborprodukten ließ sich das E-Modul um den Faktor 5 erhöhen. In einem Anwendungsbeispiel konnte die Bauteilmasse bei gleicher Steifigkeit um über 50 % reduziert werden und es ließ sich damit eine Auspuffhalteschlaufe aus Silikon-Festkautschuk durch faserverstärktes LSR ersetzen. Diese Gewichtseinsparung führt nicht nur zu geringeren Materialkosten des Bauteiles, sondern auch zu einer deutlichen Produktivitätssteigerung aufgrund der geringeren Wanddicke und der daraus resultierenden deutlich verkürzten Vulkanisationszeit[2].
Test bestanden, ab in die Praxis
Auf der Kunststoffmesse K 2013 wurden von dem Rohstoffanbeieter die ersten Voll-Silikonuhren aus dem neuen Silopren LSR Matrix Material vorgestellt. Diese Uhren haben den Zug-/Torsionstest bereits erfolgreich bestanden. Ein Grund für die Auswahl war neben der LSR-typischen einfachen und schnellen Verarbeitbarkeit, der leichten Einfärbbarkeit vor allem der hohe E-Modul des LSR-Compounds Silopren Matrix 70, der zu einer erheblichen Verlängerung der Lebensdauer im Zug-/Torsionstests führt.
Bei der Verwendung des Materials ist zu beachten, dass Dehnungen von ca. 50 % zu einer Überdehnung des Matrix LSR führen, was zu einer beginnenden Delamination von den Fasern und damit zu einer irreversiblen Schädigung des Faser-/LSR-Verbunds führen kann. Dies muss bei der Bauteilauslegung berücksichtigt werden. Wie in einer Abbildung zu sehen ist, lässt sich nach der Überdehnung in den Bereichen der maximalen Dehnung ein weißer Schleier im Zugprobekörper erkennen. Dieser Bereich kennzeichnet die Delamination des Faser-/Polymer-Verbundes. In diesem Bereich ist das Material dauerhaft geschädigt und der Zugprobekörper weist nach der Überdehnung lediglich den E-Modul des unverstärkten Silikon-Elastomers auf. Es ist weiter zu erkennen, wie das Material nach der Delamination schlagartig an Steifigkeit verliert. Nach der Delamination fallen die Kurven ab um sich dann den Kurven der Standard Silikone anzunähern.
Die Oberflächenqualität der spritzgegossenen Silikon-Uhr ist wie aus dem LSR Spritzguss bekannt ausgezeichnet. Es lassen sich bei allen bisher hergestellten Bauteilen keine Faserdurchbrüche an der Oberfläche feststellen. Das Flüssigsilikon legt sich vielmehr wie eine Haut um die Fasern und schließt sie somit vollständig ein, was für die silikontypische Haptik sorgt. Die Oberfläche kann durch das Auftragen eines Silikon-Topcoats haptisch noch verbessert werden.
Steife und dünne, elastische Silikon-Produkte
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Silopren Matrix die LSR-typischen Verarbeitungsvorteile, in Kombination mit einer hohen Steifigkeit aufweist. Dadurch ist es möglich, ohne zusätzlich Prozessschritte, wie zum Beispiel dem Einlegen von verstärkenden Textilien, sehr steife und gleichzeitig dünne Silikon-Bauteile zu fertigen. Dies führt dazu, dass neben der Materialersparnis vor allem eine Verkürzung der Zykluszeit im Spritzgießprozess und damit eine Erhöhung der Produktivität realisiert werden kann. Im Bereich der Uhrenindustrie oder Wearable Devices vermittelt zudem eine dünne Uhr bzw. ein dünnes Armband den subjektiven Eindruck von hoher Wertigkeit.
