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Tutorial Nr. 3
Silane als Haftvermittler in der Formulierung von Lacken und
Beschichtungen
Michael Schäfer
BCD Chemie GmbH / Germany
Autor: BCD Chemie GmbH; Michael Schäfer
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Im täglichen Leben kommen wir mit vielen Industrieerzeugnissen in Berührung die
Organofunktionelle Silane enthalten. Vom Endanwender werden kontinuierliche
Verbesserungen erwartet. Organofunktionelle Silane bieten hier eine breite Anwendung in
Beschichtungen als Haftvermittler und Vernetzungsmittel , um eine lange Haltbarkeit auf den
unterschiedlichsten Untergründen zu gewährleisten. Weiterhin können Abrieb- und
Kratzfestigkeit gesteigert, UV-Beständigkeit, Wasser-und Chemikalienbeständigkeit verbessert
werden.
Auch in Klebstoffen, chemisch modifizierten Füllstoffanbindungen, glasfaserverstärkten
Kunststoffen und in einem separaten Primer können Silane ihre Anwendung finden.
Autor: BCD Chemie GmbH; Michael Schäfer
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Basis Silanchemie
Silizium ist in der gleichen Familie von Elementen im Periodensystem wie Kohlenstoff. In ihrem
stabilsten Zustand verbinden sich Silizium und Kohlenstoff zu vier anderen Atomen. Silizium-
basierte Chemikalien weisen signifikante körperliche und chemische Unterschiede gegenüber
analogen Kohlenstoff basierenden Chemikalien auf. Silizium ist elektropositiver als Kohlenstoff,
formt keine stabilen Doppelbindungen und ist imstande spezielle sowie nützliche chemische
Reaktionen abzuleiten. Silizium basierte Chemikalien umfassen verschiedene Arten von
monomeren und polymeren Materialien.
Monomere Silikone sind als Silane bekannt. Eine Silan-Struktur und eine analoge
Kohlenstoffbasis Struktur sind in der Abbildung „Carbon vs. Silicon Chemie“ zusehen. Die vier
Substituenten wurden gewählt, um Unterschiede und Ähnlichkeiten in physikalischen und
chemischen Eigenschaften zwischen Silicon und Kohlenstoff basierenden Chemikalien
aufzuzeigen. Ein Silan, welches mindestens eine Carbonsilikonbindungsstruktur(CH3-Si-)
enthält, ist als Organosilan bekannt. Die Kohlenstoff-Silikon Bindung ist stabil, recht unpolar,
führt zu niedriger Oberflächenenergie, unpolaren, hydrophoben Wirkungen.
Organofunktionelle Silane
Organofunktionelle Silane sind hybride Verbindungen, welche die Funktionalität einer reaktiven
organischen Gruppe mit der anorganischen Funktionalität eines Alkylsilikats in einem Molekül
verbinden. RnSi (OR) 4-n ist die Grundstruktur von Organosilanen mit „R“ einer Alkyl-, Aryl-
oder Organofunktionellen Gruppe und „O“. Dadurch wirken sie als molekulare Brücken
zwischen organischen Polymeren und anorganischen Materialien. Welche funktionelle Gruppe
einsetzbar ist, entscheidet letzten Endes das organische Polymer. Die Länge der Brücke
bestimmt die Reaktivität.
Carbon vs. Siliconchemie
Autor: BCD Chemie GmbH; Michael Schäfer
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Molekulare Brücke
Die Anbindung erfolgt über die hydrolisierbaren funktionellen Gruppen OR. Hier kommen
hauptsächlich Methoxy- und Ethoxy-Substituenten zur Anwendung. Die Alkoxygruppen des
Silans hydrolisieren bei Feuchtigkeit. Hierbei entstehen reaktive Silanole. Diese kondensieren
entweder zu oligomeren Siloxanen oder reagieren mit dem anorganischen Substrat. Da auf
vielen mineralischen und metallischen Oberflächen Hydroxylgruppen vorhanden sind, kommt
es in der Regel zu einer kovalenten Anbindung des Silans an das anorganische Substrat im Zuge
einer Kondensationsreaktion.
Vernetzung Haftvermittlung
Organofunktionelle Silane dienen als
Vernetzer für organische Polymere
z.B. bei Farben und Lacken
Organofunktionelle Silane
ermöglichen eine bessere
Haftung von Beschichtungen
Autor: BCD Chemie GmbH; Michael Schäfer
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Chemische Anbindung an Organische Polymere
Die wichtigsten Mechanismen der Anbindung sind:
- Endcapping
- Radikalische Pfropfung
- Copolymerisation
In den meisten Fällen erhält man silanmodifizierte Polymere, die über die restlichen Si-
Alkoxygruppen unter Ausbildunbg stabiler Siloxanverbindungen vernetzen oder z.B. an
Füllstoffe andocken können.
Endcapping
Beim Endcapping reagiert die organofunktionelle Gruppe des Silans mit einer funktionellen des
Prepolymers, in dem es eine kovalente Bindung eingeht.
Die Silanwahl hängt von dem Polymer ab. Möglich sind z.B. Aminosilane+Acryl/Methacryl-
Polymere oder Amino- und Epoxy/Glycidoxysilane+Epoxidharz-Vorstufen.
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Radikalische Pfropfung
Ungesättigte Silane, wie z.B. Vinyl- oder Methacryloxysilane, lassen sich über eine radikalische
Pfropfreaktion an Polymerketten anbinden, z.B. Vinylsilane+Polyolefine.
Copolymerisation
Die polymerisierbare organofunktionelle Gruppe eines Silans (z.B. Methacryloxy- oder
Vinylsilan) wird bei der Herstellung des Polymers in die Kette einpolymerisiert, z.B.
Methacryloxysilane+monomere Acrylate/Methacrylate, Styrol
Die Auswahl eines geeigneten Silans ist recht komplex. Type und Dosierung müssen in der Regel
individuell angepasst werden.
Vinyl-, Methacryloxysilan
Vinyl-, Methacryloxysilan
Autor: BCD Chemie GmbH; Michael Schäfer
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Hauptanwendungen von einigen Organofunktionellen Silanen:
Aminosilane (R=Amino)
AMEO AMinopropyltriEthOxysilane
AMMO AMinopropyltriMethOxysilane
DAMO DiAminoMethOxysilane
Haftvermittler, Kopplungsmittel, Harzadditiv;
Erhöhen chem.Bindung von Harzen zu
anorganischen Füllstoffen und
Verstärkungsmaterialien (Reinforcement); Für Epoxidharze, Phenole, Melamine, Nylons, PVC,
Acrylics, Polyolefine, Polyurethane, Nitril-Rubber;
Oberflächennachbehandlung von Füllstoffen
Vinylsilane (R=Vinyl)
VTMO VinylTriMethoxysilane
VTEO VinylTriEthoxysilane
Kopplungsmittel, Crosslinker;
Schwefel- und peroxidhärtende Rubber, Polyester,
Polyolefine, Styrene und Acrylics,
Wasserfänger (Scavanger); Oberflächenbehandlung (pre-oder in-situ) von
mineralische Füllstoffen für Kunststoffe
Methacrylsilane (R=Methacryl)
MEMO MEthacryloxypropyltriMethOxysilane
Haftvermittler (speziell für ungesättigte
Harzsysteme) und Kopplungsmittel für Füllstoffe und Fiberglass zu Harzen;
Feuchtigkeitsvernetzung von Acrylics
Alkylsilane (R=Alkyl) N-OTES (OCTEO) n-OCtylTriEthOxysilane
N-OTMS (OCTMO) n-OCtylTriMethOxysilane
Hydrophobe Oberflächenbehandlung von Füllstoffen und anorganischen Oberflächen;
Silicon Synthese
Epoxysilane (R=Glycidoxy)
GLYMO GLycidoxypropyltriMethOxysilane
Haftvermittler für Epoxies, Urethane, Acrylate,
Oberflächenbehandlung von Füllstoffen und Verstärkern auf z.B. Glas, Aluminium
R=R'
TEOS TetraEthOxysilane
Sol-Gel, Crosslinker, Steinhärtung, Chemische
Synthese
Wasserfänger
Als Wasserfänger in Lackanwendungen, aber insbesondere in der Kleb- und
Dichststoffformulierung kommt Vinyltrimethoxysilan zur Anwendung. Durch die elektronischen
Eigenschaften der Vinylgruppe hydrolysieren die SI-Gruppen in diesem Silan wesentlich
schneller als in gesättigten aliphatischen Alkylalkoxysilanen. In die Formulierungen
eingetragene Feuchtigkeit wird unter Bildung von Methanol abgefangen und führt zur
Kondensation des Vinylsilans. Erst wenn dieses weitgehend abreagiert ist, erfolgt die
Vernetzung der anderen Silanbausteine.
Autor: BCD Chemie GmbH; Michael Schäfer
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Fazit
Mit Silanen können Haftungsprobleme gelöst werden, indem das anorganische Substrat mit
einem Silanprimer vorbehandelt wird.
In manchen Fällen kann das Silan auch direkt in die Lackformulierung gegeben werden
(Anwendung als Additiv). Bei einem additiven Einsatz des Silans in Lackformulierungen kann die
Wirksamkeit durch Nebenreaktionen mit den Lackkomponenten beeinträchtigt und die
Haftvermittlung reduziert werden. Für die Benetzung der Oberflächen sind die
Mengenverhältnisse der Komponenten sowie die Polarität des Lösungsmittels entscheidend.
Die Benetzung kann aber auch durch die Substratoberfläche beeinflusst werden. Sie muss fett,
staub- und korrosionsfrei sowie ausreichend reaktiv sein. Für mache Substrate kann eine
Reinigung mit Lösemitteln ausreichend sein, während andere mit alkalischen oder sauren
Reinigern zuerst gereinigt und aktiviert werden müssen. Andere müssen geschliffen und
gestrahlt werden .Die Primerlösung muss die Substratoberfläche gut benetzen. Für die
Silankonzentration ist die Oberflächenrauhigkeit des Substrates mitentscheidend.
Primerlösungen für glatte Oberflächen benötigen weniger Silan als rauhe Oberflächen.
Bei der Formulierung eines Silanprimers wird in der Regel das Lösungsmittel vorgelegt,
eventuell Wasser und Hydrolysekatalysator (Essigsäure) zugegeben, das Silan unter Rühren
langsam zugefügt und homogen gerührt. Die fertige Lösung sollte klar bis maximal schwach
gelblich gefärbt sein. Bei Verwendung von Aminosilanen kann sich die Lösung bei der
Silanzugabe auf bis zu ca. 50°C erwärmen. Lagerstabilitäten von gebrauchsfertigen Primern
können abhängig vom Silan und der Anwendung von einer Woche bis einem Jahr variieren.
Die Lagerstabilität einer Formulierung sollte für jede Anwendung geprüft werden.
Einsatzerkenntnisse wurden u.a. z.B. mit Produkten von DowCorning/Xiameter gewonnen.
AMEO=Xiameter OFS-6011, VTMO=Xiameter OFS-6300, GLYMO=Xiameter OFS-6040.
Literaturnachweise:
RÖMPP Kompakt-Basislexikon Chemie
„Silicon Technik-ein Kompendium für Praxis, Lehre und Selbststudium“, Andreas Tomanek,
Hanser-Verlag
DowCorning-The Basics of Silane Chemistry
DowCorning- Gerald L. Witucki-A Silan Primer: Chemistry an Applications of Alkoxy Silanes
Autor: BCD Chemie GmbH; Michael Schäfer
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