Herstellung und Verwendung von Siliconen

Die Anwendung von Siliciumverbindungen blieb lange Zeit auf die oxidischen Verbindungen Siliciumdioxid bzw. Silicate beschränkt. Diese bilden die Grundlage der Glasherstellung, werden aber auch als keramische Werkstoffen oder Baustoffe verarbeitet.

Durch die Entdeckung der Methylchlorsilane während des 2. Weltkriegs wurde jedoch der Ausgangsstoff für die neue Werkstoffklasse der Silicone zugänglich. Die Herstellung der Silicone erfolgt in zwei Schritten:

Die technisch wichtigsten Organochlorsilane sind die Methylchlorsilane. Zur Synthese wird ein fein vermahlenes Silicium/Kupfergemisch mit gasförmigem Chlormethan bei ca. 280 °C umgesetzt. Unter katalytischer Wirkung von Kupfer entsteht ein Gemisch von Silanen, die dann destillativ getrennt werden.

Maßgeblich für die Wirtschaftlichkeit der Synthese ist eine möglichst hohe Ausbeute des bifunktionellen Dimethyldichlorsilans, da es Ausgangsstoff für alle Siliconöle, -emulsionen und -kautschuke ist. Aufgrund der geringen Siedepunktsunterschiede der Silane, erfordert ihre Trennung einen hohen destillativen Aufwand. Durch Einsatz anderer Chloralkane anstelle von Chlormethan können viele verschiedene Organochlorsilane erhalten werden.

Im zweiten Schritt werden zunächst die Organochlorsilane mit Wasser oder Methanol umgesetzt. Bei der Hydrolyse von 1 kg Dimethyldichlorsilan entstehen 350 Liter Chlorwasserstoff-Gas, daher ist beim Umgang größte Vorsicht geboten. Der anfallende Chlorwasserstoff wird in Wasser absorbiert und die Salzsäure kann dann elektrolytisch zu Chlor aufgearbeitet werden. Die entstehenden Silanole reagieren anschließend in einer Polykondensation zu den Polysiloxanen bzw. Siliconen.

Setzt man anstelle von Wasser Methanol zur Spaltung der Si-Cl-Bindungen ein, dann entsteht bei der Methanolyse wieder Chlormethan. Dieses Nebenprodukt kann wieder zu Chlormethylsilan umgesetzt und so dem Kreislauf zugeführt werden.

Struktur und Eigenschaften

Silicone sind siliciumorganische Makromoleküle, in denen an die Siliciumatome unterschiedliche organische Reste gebunden sind. Die hohe thermische und chemische Beständigkeit ergibt sich aus der Stabilität der Si-O- und der Si-C-Bindung sowie aus den hydrophoben organischen Resten. Von besonderer Wichtigkeit ist die Vernetzung der Siloxane für die Produkteigenschaften des Polymers. Diese kann durch die Zahl der Chloratome im Silanmolekül als Ausgangsstoff gezielt beeinflusst werden. Je nach Anzahl der Chloratome entstehen bei der Hydrolyse bzw. Methanolyse mono-, di-, tri- oder gar tetrafunktionelle Siloxane mit Si–O-Bindungen, die unterschiedliche Vernetzungsmöglichkeiten der Siloxaneinheiten aufweisen: