Welche unschlagbaren Vorteile bietet Silikonemulsion in industriellen Anwendungen?

Die Bedeutung von Silikonemulsionen beim Metallguss und bei der Vulkanisation von Kautschuk

Silikonemulsionen behalten ihren thermischen Schutz und ihre Integrität auch unter extremen Fertigungsbedingungen bei. Bei der Metallgussverarbeitung bilden Silikonemulsionen schützende Schichten auf den Formoberflächen, die Temperaturen zwischen 700 und 1600 Grad Celsius standhalten. Die Emulsionen mildern sogar thermischen Schock ab. Bei der Vulkanisation von Kautschuk sorgt die niedrige Oberflächenspannung des Silikons dafür, dass die Aushärteformen gleichmäßig benetzt werden, sodass der Kautschuk nach Überschreiten von 200 Grad Celsius weiterhin flexibel bleibt. Weder das Silikon noch andere Materialien zerfallen dabei. Die thermische Stabilität des Silikons ist auf sein einzigartiges Siloxan-Gerüst aus Silizium-Sauerstoff zurückzuführen. Die Bindungsenergie, die zum Aufbrechen dieser Siloxan-Bindungen erforderlich ist, beträgt 452 Kilojoule pro Mol – das ist das 1,5-Fache der Energie, die zum Aufbrechen von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in den meisten organischen Polymeren benötigt wird. Dadurch sind Silikonemulsionen für Hochtemperaturanwendungen ideal im Vergleich zu konkurrierenden Produkten.

Warum Siloxan-Gerüste organische Polymere bei Hitze übertreffen

Siloxan-Rückgrate sind aufgrund dreier Faktoren hitzebeständig.

1. Bindungsstärke – Si-O-Bindungen sind stärker als C-C-Bindungen. Die Bindungsenergie von Si-O-Bindungen beträgt etwa 452 kJ/mol, während die von C-C-Bindungen bei etwa 347 kJ/mol liegt.

2. Methylgruppenbeständigkeit – Schichten aus Methylgruppen schützen Siloxane, da mit Siloxan bedeckte Methylgruppen bei 250 °C oxidieren, während andere oxidierende Verbindungen diese Schutzschicht nicht bilden.

3. Kettenbeweglichkeit – Si-O-Si-Verknüpfungen verleihen den Bindungen Flexibilität und verhindern so eine Versprödung, wodurch das Siloxan zahlreiche Heiz- und Kühlzyklen übersteht.

Siloxan-Netzwerke unterliegen keiner strukturellen Degradation, bis zu Temperaturen von 300 °C, während organische Polymere bei etwa 150 °C eine Kettenbruchreaktion und strukturelle Degradation erfahren. Silikonbehandelte Komponenten weisen nach 500 Stunden bei 280 °C eine um 80 % geringere Verformung auf (gemessen nach den Parametern der ASTM E2550). Dieses Leistungsniveau ermöglicht den uneingeschränkten Einsatz siloxanbasierter Komponenten in Anwendungen mit hoher kontinuierlicher Wärmebelastung, wie beispielsweise der Glasproduktion und der Dichtung von Turbinen.

Verbesserte Wasserabweisung und Hydrophobie in Steuerungssystemen und Textilien

Leistung im praktischen Einsatz: Wasserperlenbildung auf Perlit-Dämmstoff und atmungsaktiver Baumwoll-Leinwand

Silikonemulsionen bieten eine starke und dauerhafte Wasserbeständigkeit auf zahlreichen Substraten. Der Fall der Industrie-Perlit-Dämmung bei Wassereindringen zeigt, dass Feuchtigkeit statt in einer nassen Umgebung einzudringen, als Perlen zusammenläuft und abrollt, wodurch die Wirksamkeit der Dämmung erhalten bleibt. Bei textilen Anwendungen behält Baumwollsegeltuch, das mit Silikonemulsion behandelt wurde, bei Drücken von über 500 Pascal seine Atmungsaktivität und Wasserbeständigkeit bei. Dies ist entscheidend, um den Eintritt und Austritt flüssigen Wassers zu ermöglichen bzw. zu verhindern – der Hauptgrund für seinen Einsatz in Militärjacken und Outdoor-Bekleidung. In mindestens zwei verschiedenen Feldstudien, die von Textilherstellern durchgeführt wurden, zeigte die wasserabweisende Behandlung nach geschätzten fünfzig Wäschen noch mindestens 95 % ihrer wasserabweisenden Eigenschaften. Das bedeutet, dass die Funktionalität erhalten bleibt, ohne Komfort oder Atmungsaktivität unter allen Wetterbedingungen einzuschränken.

Oberflächenwissenschaft: Methyl-terminierte PDMS-Filme senken die Oberflächenenergie unter 25 mN/m

Die Methylgruppen, die Teil der Polydimethylsiloxan-(PDMS-)Ketten sind, sind für die hydrophoben Eigenschaften von PDMS verantwortlich. Diese kettenförmigen Moleküle senken die Oberflächenenergie unter 25 mN/m, was zu Kontaktwinkeln von Wasser von über 110 Grad führt – ein Effekt, der dafür sorgt, dass Wasser von der Oberfläche abperlt. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Emulsion ausbreitet und dabei extrem dünne, gleichmäßige Schichten bildet. Zudem verringern sich die schwachen molekularen Anziehungskräfte (van-der-Waals-Kräfte) zwischen der Flüssigkeit und der festen Oberfläche; dies erklärt gut, warum behandelte Oberflächen nach der Behandlung über längere Zeit sauber bleiben. PDMS erwies sich als haftfähig auf zahlreichen porösen Untergründen, darunter Beton, verschiedene Gewebe und Dämmmaterialien. Dies deutet darauf hin, dass der wasserabweisende Effekt unabhängig vom Materialtyp konsistent ist und die PDMS-Behandlung daher für eine Vielzahl praktischer Anwendungen geeignet ist.

Hervorragende Schmierfähigkeit und geringe Reibung bei der Entformung in Spritzguss- und technischen Anwendungen

65 % Verringerung der Entformkraft mit Silikonemulsionen beim Spritzgießen von Thermoplasten

Silikonemulsionen weisen hervorragende Schmiereigenschaften auf, die präzise Formgebungsprozesse erleichtern. Ihre PDMS-Struktur erzeugt im Vergleich zu den meisten auf Erdöl basierenden Trennmitteln niedrige Oberflächenspannungen. Im Vergleich zu herkömmlichen Trennmitteln konnten Silikonemulsionen bei der Spritzgussverarbeitung von Thermoplasten eine Reduzierung der Auswurfkraft um etwa 65 % nachweisen. Dies führt zu geringerer Verformung beim Entnehmen der Teile, einer konsistenteren Maßgenauigkeit sowie seltenerer Reinigung und Wartung der Werkzeuge. Darüber hinaus ist PDMS thermisch stabil und bildet eine schützende Schicht, die auch bei Temperaturen über 200 °C intakt bleibt – ein Problemfall für die meisten organischen Trennmittel, die entweder zerfallen oder verdampfen. In der Praxis können Werkzeuge Teile rückstandsfrei freigeben, was insbesondere bei komplexen, tiefen und hochgradig detaillierten Werkzeugen von Vorteil ist. Dies gilt ebenfalls für lange Serienfertigungen.

Formulierungsflexibilität: Warum Silikonemulsionen reine Silikonöle übertreffen

Die stabile Einbindung in wässrige Systeme, wie z. B. acrylische Automobil-Lackierungen.

Es besteht ein Ausgleich zwischen Leistung und Verarbeitungsanforderungen, und Silikonemulsionen finden diesen Ausgleich aufgrund ihrer Stabilität in wässrigen Systemen – das bedeutet, dass keine Phasentrennung, kein Ausflocken und keine Migration auftritt und somit nichts das System stört. Daher können Silikonemulsionen in Acryl-Clearcoats eingearbeitet werden, sodass Automobilhersteller sie ohne Bedenken hinsichtlich ungleichmäßiger Filme, stumpfer Stellen oder Haftungsprobleme einsetzen können. Zudem lässt sich durch den Verzicht auf emulgierte Lösemittel oder chemische Zusatzstoffe im Vergleich zu herkömmlichen lösemittelbasierten Produkten eine Verringerung der VOC-Emissionen um 30–50 % erzielen. Diese Flexibilität beschränkt sich nicht allein auf Clearcoats, sondern wird auch bei Industrielacken, Textilbehandlungen, Bau-Dichtstoffen usw. genutzt, wobei die hohen Anforderungen an Leistung und Qualität gewahrt bleiben.

Silikonemulsionen und ihre Siloxan-Rückgrate sind stabiler als herkömmliche organische Polymere, was sich insbesondere bei Anwendungen wie Metallguss und Vulkanisation von Kautschuk als äußerst nützlich erweist.

Welche Rolle spielt Silikonemulsion bei der Herstellung wasserabweisender Textilien?
Silikonemulsion weist aufgrund ihrer an die PDMS-Ketten gebundenen Methylgruppen hydrophobe Eigenschaften auf, wodurch die Oberflächenenergie unter 25 mN/m absinkt. Dadurch können mit Silikonemulsion behandelte Textilien wasserabweisend gemacht werden, bleiben jedoch atmungsaktiv und auch bei allen Wetterbedingungen einsetzbar.

Kann Silikonemulsion im Spritzguss von Thermoplasten eingesetzt werden?
Ja, Silikonemulsion verringert die Auswurfkraft beim Spritzguss von Thermoplasten und trägt so zur Präzision der geformten Teile bei sowie zur Reduzierung des Reinigungsaufwands für die Form. Die PDMS-Struktur weist eine niedrige Oberflächenspannung auf und bleibt selbst bei hohen Temperaturen stabil.

Warum wird Silikonemulsion gegenüber reinen Silikonölen bevorzugt?
Silikonemulsionen lassen sich leichter integrieren und bleiben innerhalb des wasserverdünnbaren Systems stabil, was beispielsweise bei der Formulierung von Acryl-Klarschichten für Automobile hilfreich ist, da reine Silikonöle zu Verklumpung oder Phasentrennung führen würden. Außerdem sind Silikonemulsionen umweltfreundlicher, wobei die VOC-Emissionen um 30–50 % niedriger sind als bei lösemittelbasierten Produkten.