Siliconherstellung
Gemäß dieser Reaktion benötigt man zur Direktsynthese Silicium, Methylchlorid und
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| Silicium Das benötigte Silicium wird meist durch elektrothermische Reduktion von Siliciumdioxid (Quarz) mit Kohlenstoff erhalten. Silicium Hersteller gibt es vor allem in den Ländern, in denen billige elektrische Energie zur Verfügung steht.Die Hersteller erreichen es Silicium mit einem Gehalt von > 99% zur Verfügung zu stellen Für die Direktsynthese, die als Fest-Gas Reaktion in Fließbett Reaktoren durchgeführt werden, ist auch die Teilchengröße des Siliciums von erheblicher Bedeutung. Zur Herstellung von Teilchen- größen zwischen 30-350µm muß das Silizium gebrochen und gemahlen werden. Methylchlorid Unter Raumtemperatur und Normaldruck ist Methylchlorid gasförmig. Typische Herstellungsverfahren sind die Chlorierung von Methan oder die Veresterung von Methanol mit Chlorwasserstoff. Bei der Erzeugung von -Si-O-Si- Bindungen durch Reaktion der Methylchlorsilane mit Wasser entsteht Chlorwasserstoff in Form von Salzsäure, weshalb die meisten Silan- und Silikonhersteller diesen Chlorwasserstoff nutzen um daraus wieder Methylchlorid herzustellen. Kupferkatalyssator und Promotoren Als Katalysatoren werden Materialien aus dem System Kupfer/Sauerstoff eingesetzt, deren Teilchengröße unter 10µm liegt. Solche Katalysatoren sind meist schalenförmig aufgebaut: in der Mitte ein kleiner Kupferkern, dann eine Cu2O Schicht und außen eine CuO Schicht. Wichtig ist ein geringer Grad an Verunreinigungen. Als Promotor wir häufig Zink entweder als Metall, Oxid oder Chlorid eingesetzt. Durchführung der Direktsynthese Bei der Synthese handelt es sich um die Umsetzung eines Feststoffgemenges mit einem Gas. Die Reaktion wird in Fließ- oder Wirbelbettreaktoren bei 280- 300°C und einem Druck von 2-4 bar durchgeführt. Man erhält ein Gemisch aus verschiedenen Methylchlorsilanen: Diemthyldichlorsilan > 80% Methyltrichlorsilan 10-15% Trimethylchlorsilan 3-4% Weitere Verbindungen die in untergeordnetem Teile entstehen sind Methylhydrogendichlorsilan, sowie Disilane, Trisilane und siliciumfreie Verbindungen. Durch nachgeschaltete Destillatonsprozesse werden die o.e. Silane getrennt und stehen als Grundstoff für die Silikonherstellung zur Verfügung. |
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Herstellung von Silikonen Dimethyldichlorsilan ist mengenmäßig der herausragende Rohstoff für die Herstellung von Silikonen. Die klassische Methode Dimethylchlorsilan in Dimethylsiloxan zu überführen ist die Hydrolyse. Es werden Gemische aus cyclischen und linearen OH-ständigen Oligomeren erhalten. Bei der kontinuierlichen Hydrolyse kann, je nach Auswahl der Bedingungen, das Silan nahezu vollständig in lineare OH-endständige Siloxane überführt werde
Die an die Hydrolyse von Dimethylchlorsilan anschließenden ionischen Folgereaktionen |
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Im Basischen verläuft die Reaktion gemäß:
Es sind natürlich je nach Ausgangssilan auch andere Einheiten möglich: |
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Spezielle Polysiloxane Für die Herstellung spezieller Siloxane besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten: - Einführung von Substituenten am Si - Verteilung der Substituenten am Si (statistsich – blockartig) - Kettenlänge - Molekulargewichtsverteilung - Kombination verschiedener Siloxaneinheiten (M,D,T,Q) Elastomere Für die Elastomerherstellung wird für die Vernetzung von Siloxanketten direkt am Si oder über Organoreste gebundene funktionellen Gruppen benötigt. Eine große Gruppe stellen die OH-endständigen Polydimethylsiloxane. Variiert wird hier nur die für die Vernetzungsstruktur entscheidende Kettenlänge. Bevorzugt werden diese Polymere durch Kondensation von bereits Silanolendgruppen enthaltenden Oligomeren, oder durch katalytische Spaltung von Siloxanbindungen mittels Wasser hergestellt. Die zweite Gruppe für die Elastomerherstellung eingesetzten Polymere sind vinylfunktionelle Polydimethysiloxane . Die Si gebundenen Vinylgruppen können am Kettenende und/oder in der Kette sitzen. Hergestellt werden können diese Polymere z.B. durch Cokondensation von linearen oligomeren Dimethylsiloxanen mit Vinylmethylsiloxanen. Für eine statistische Verteilung der ViMeSiO Einheiten in der Me2SiO Kette sorgt die Äquilibrierung. Auch die Einführung der Endgruppen und damit die Kettenlängenregulierung erfolgt über die Äquilibrierung. In enger Beziehung zu den vinylfunktionellen Siloxanen stehen Me2SiO Polymere, bei denen Methylgruppender Kette durch Wasserstoffatome ersetzt sind. Diese SiH-funktionellen Siloxane dienen als Vernetzerbausteine für vinylfunktionelle Polymerein einer Additionsreaktion. |
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Die zweite Gruppe für die Elastomerherstellung eingesetzten Polymere sind vinylfunktionelle Polydimethysiloxane . Die Si gebundenen Vinylgruppen können am Kettenende und/oder in der Kette sitzen. Hergestellt werden können diese Polymere z.B. durch Cokondensation von linearen oligomeren Dimethylsiloxanen mit Vinylmethylsiloxanen. Für eine statistische Verteilung der ViMeSiO Einheiten in der Me2SiO Kette sorgt die Äquilibrierung. Auch die Einführung der Endgruppen und damit die Kettenlängenregulierung erfolgt über die Äquilibrierung. In enger Beziehung zu den vinylfunktionellen Siloxanen stehen Me2SiO Polymere, bei denen Methylgruppen der Kette durch Wasserstoffatome ersetzt sind. Diese SiH-funktionellen Siloxane dienen als Vernetzerbausteine für vinylfunktionelle Polymere in einer Additionsreaktion. |
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Eigenschaften des Silikons Der Si-O-Si –Bindungswinkel von 140°, der Abstand zwischen Silizium und Sauerstoff Atom, sowie die Abwesenheit von Substituenten am Sauerstoffatom sind verantwortlich für die Flexibilität und Mobilität der Kette. Weiterhin ist die Kette gegen Assoziationen mit anderen nahegelegenen Molekülen durch die Abdeckung der O-Si-O Bindungen mit nicht polaren Methylgruppen geschützt. Silikon zeichnet sich aus durch: - Elastisches Verhalten - Geringe Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften von der Temperatur - Gute Gasdurchlässigkeit - Gute Kältebeständigkeit - Niedrige Oberflächenenrgie (21 mN/m) – bedingt durch die nicht polaren Methylgruppen - Gute Filmbildungseigenschaften - Gute Dielektrische Eigenschaften - Wasserabweisende Wirkung - Gute Inkompatibilität mit polaren Oberflächen - Hohe Wärme- und Alterungsbeständigkeit - Biologisch inert- nicht abbaubar |
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Silikone als Trennbeschichtung für Papiere und Folien. Die Antiadhäsive Wirkung von Silikonen wird für die Herstellung von Trennpapieren und –folien für die verschiedensten Klebeanwendungen genutzt. Mengenmäßig ist die Beschichtung mit Silikonen oder silikonhaltigen Systemen die wichtigste Gruppe von Trennmedien für diese Anwendung. Durch Auswahl geeigneter funktionalisierter Polymere kann die optimale Trennbeschichtung für nahezu jeden Anwendungszweck realisiert werden. Heutzutage sind folgende Systeme im Markt etabliert. |
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