Präsentation ()

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Gliederung des Vortrags
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Allgemeine Informationen zu Siliconen
Herstellung von Siliconen
Siliconöle / Silicontenside
Siliconkautschuk
Anwendung und Verwendung von Siliconen
Schulrelevanz der Thematik
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1. Allgemeine Informationen
Bedeutung der Silicone
- Synthetische Werkstoffe
- Anwendungsbereich beeinflusst Art der zu
synthetisierenden Struktur
- Anwendung in vielen Bereichen des Alltags und
der Technik
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1. Allgemeine Informationen
Silicone - chemisch
Organisch modifizierter
Quarz:
An jedem Siliciumatom
zwei Sauerstoffatome
durch Methylgruppe
(oder anderem
organischen Rest)
substituiert
Freie Drehbarkeit der
Methylgruppen ->
„geknäuelte Form“
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1. Allgemeine Informationen
Silicone: Anorganische Verbindungen?
- Bezüglich Struktur Zwischenstellung zwischen
typischen organischen und typischen
anorganischen Verbindungen
- Ausbildungen von Silicium-Silicium-Bindungen
bzw. Silicium-Ketten nicht ausgeprägt
- Stabilität des Quarzgerüstes
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- Silicium keine Neigung zu Doppelbindungen
(Doppelbindungsregel)
Ausnahme: Hohe sterische Abschirmung, z.B.:
Mes
Mes
Si Si
Mes
Mes
- Mit Sauerstoff Bildung mehrfachbindungsfreier
polymerer Produkte
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1. Allgemeine Informationen
Silicone – Historischer Abriss (1)
1823: Darstellung von
amorphem Silicium durch
Reduktion von Siliciumdioxid
J.J. Berzelius
Beginn 20. Jahrhundert:
Synthese erster mit der
Bruttozusammensetzung R2SiO
(Silicone)
F.S. Kipping
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Silicone – Historischer Abriss (2)
- 20. Jahrhundert: in den
USA weitere Forschung
(v.a. militärische Zwecke)
- Seit 50er Jahren auch
größere Siliconforschung
in Deutschland (Firma
WACKER)
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2. Herstellung von Siliconen
2.1 Das Element Silicium
- Vorkommen in
zugänglicher
Erdkruste
- Ausschließlich in
gebundener Form
mit Sauerstoff:
z.B. Quarze,
Feldspat, Olivin
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2. Herstellung von Siliconen
2.2 Erster Schritt zum Silicon:
Silicium aus Sand
(a) Labormaßstab:
+4 -2
0
0
+2
-2
SiO2 (s) + 2 Mg (s) → Si (s) + 2 MgO (s)
(b) Großtechnische Herstellung:
+4 -2
0
0
+2 -2
SiO2 (s) + 2 C (s) → Si (s) + 2 CO (g)
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2. Herstellung von Siliconen
2.3 Darstellung von
Chlormethylsilanen
-2
0
4 CH3Cl (g) + 2 Si (s) →
-3
+2
2 (CH3)2SiCl2 (g) [+ CH3SiCl3 (g) + (CH3)3SiCl ) (g) ]
Reaktionsbedingungen:
T= 300-400°C
Cu als Katalysator
= Rochow-Synthese
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Versuch 1: Hydrolyse von
Chlormethylsilanen
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1.) Hydrolyse von Dichlordimethylsilan
2.) Polykondensation:
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2. Herstellung von Siliconen
Hydrolyse von Organylchlorsilanen
- Silandiole R2Si(OH)2 kondensieren zu
Polysiloxanen:
bei kleiner Gliederzahl (n = 3,4,5…) als Ringe
bei großer Gliederzahl als Kette
-Kondensation Silantriole RSi(OH)3
kleine Gliederzahl: Käfige
große Gliederzahl: Schichten
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3. Siliconöle/Silicontenside
Siliconöle
- Lineare Moleküle aus verknüpften
Dimethylsiloxan-Einheiten
- Chemisch weitestgehend inert
- I.d.R. klare, geruchlose, hydrophobe und
neutrale Flüssigkeiten
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Versuch 2:
Wasserabweisende
Eigenschaft der Silicone
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(a) Unbehandelter Filter
Faltenfilter aus Cellulose
HO
OH
OH
OH
O
H2C
HO
OH
O
n
O
HO
CH2
OH
HO
OH
CH2
O
O
O
CH2
HO
O
OH
OH
OH
Wasser dringt in hydrophile Cellulose ein und
filtriert durch sie hindurch
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(b) Behandelter Filter
Benetzung des Filters mit Trichlormethylsilan führt
zu einer Kondensationsreaktion
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Siliconisierte Cellulose: Ausschnitt
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3. Siliconöle/Silicontenside
Weitere physikalische
Eigenschaften
-Viskosität weniger temperaturabhängig als
mineralische Öle
-Siedepunkte deutlich niedriger als bei
Kohlenstoffverbindungen ähnlicher Konstitution
-höhere Kompressibilität als mineralische Öle
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Versuch 3: Abbrennen von
Siliconölen
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Vollständige Verbrennung eines Siliconöls
CH3
H3C Si O
CH3
CH3
Si O
CH3
n
CH3
Si CH3 + y O2
∆
(n + 2) SiO 2 + (2n + 6) CO 2 + m H2O
CH3
Siliconöl
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Versuch 4: Silicone als
Antischaummittel
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Silicontensid
Kationisches Polysiloxan
CH3
CH3
O Si O Si O
Modifikation am
Siloxangerüst:
•Bessere
Wasserlöslichkeit
•Steigerung der
Tensideigenschaft
CH3
(CH2)3
O
CH2
HO CH
CH2
+
H3C N CH3
R
HC O
O
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Tenside sind Substanzen, die die
Oberflächenspannung einer Flüssigkeit
herabsetzen.
Stabilisieren Emulsionen / lösen
Schmutzteilchen aus Fett und Öl
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4. Silicongummi/Siliconkautschuk
Eigenschaften
- Im Vgl. zu anderen Elastomeren ist
Elastizität gering temperaturabhängig
- Schwer brennbar (Flammpunkt ca. 750°C)
- Gute Chemikalienresistenz
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4. Silicongummi/Siliconkautschuk
Vernetzung von Siliconen
a.) Additionsvernetzung
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b.) Kondensationsvernetzung
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c.) Vernetzung mit Peroxiden
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Demonstration 1:
Kaltvulkanisierende
Siliconkautschuke
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Kaltvulkanisierende
Siliconkautschuke
Bereits alle zur Vulkanisation erforderlichen
Komponenten (Polyorganosiloxane, Vernetzer,
Füllstoffe) enthalten
Vernetzung tritt erst unter Luftfeuchtigkeit ein
Allgemeine Reaktion:
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Vergleich: Gips und Elastosil (=Siliconkautschuk)
Elastosil E43
Gips
Geruchsentwicklung
essigartig
geruchlos
pH-Wert
sauer
neutral
Konsistenz
weich,
gummiartig
fest
Überstreichbarkeit mit
Wasserfarbe
Farbe schlecht
haftend,
abwaschbar
Farbe haftet sehr
gut
Abbindzeit
1 Tag
1 Tag
Elastosil E43 enthält Acetoxy-Vernetzer:
Entstehung von Essigsäure bei Hydrolyse
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Versuch 5: Brennbarkeit von
Silicongummi und anderen
Kunststoffen
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Verbrennung des Silicongummis
H3C
CH3
CH3
CH3
Si O
Si O
Si CH3
CH3
CH3
n
+
y O2
∆
CH3
(n +2) SiO2 + (2n + 6) CO2 + m H 2O
Verbrennung des PVC
H3C
Cl
Cl
+ y O2
∆
n CO2 + ½ n HCl + ½ n H2O
n
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Demonstration 2:
Chemikalienbeständigkeit
von Silicongummi
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- beständig gegenüber verdünnten Säuren,
verdünnten Laugen, Aceton und Heptan
-von konzentrierten Lösungen starker Säuren
angegriffen
elektrophiler Angriff am negativ
polarisiertem O-Atom
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- von konzentrierten Lösungen starker Basen
angegriffen
nucleophiler Angriff am
positiv polarisiertem Si-Atom
- Heptan: Aufquellen beruht auf Einlagerung in
das Molekülgeflecht des Polymers
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5. Anwendung und Verwendung
(1) Silicone im Bauwesen
- Bautenschutz
(u.a.
Hydrophobierungsverfahren
gegen Verwitterung)
- Verkleben, verdichten,
verfugen
- Wärmeisolierung
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5. Anwendung und Verwendung
(2) Silicone im Verkehr
- Elektronik (z.B.
Ummantelung von
Zündkerzen)
- Mechanik (z.B. Siliconöle in
Visko-Kupplung)
- Sicherheit (Abdichtung des
Airbags mit einer
Siliconschicht)
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5. Anwendung und Verwendung
(3) Silicone in der Medizin
- Medizintechnik (z.B.
Abformmaterialien in
der Zahnmedizin)
- Umkapselung von
Medikamenten mit
Siliconharzen
- Als „eigentliches“
Medikament (z.B.
Narbencreme)
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(4) Silicone beim Kleben
Demonstration 3:
Siliconbeschichtetes
Papier
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Siliconbeschichtetes Papier
- Fest auf Papier haftende Siliconschicht
- Nur schwache Adhäsion zwischen
Klebestreifen und Siliconschicht
- Ohne Beschichtung: Wechselwirkungen
zwischen Cellulosemolekülen und
Klebstoffmolekülen
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5. Anwendung und Verwendung
(5) Silicone für Farben
- Vermeidung der
Schaumbildung bei
der Farb- und
Lackherstellung
- Hitzebeständige
Lacke
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5. Anwendung und Verwendung
(6) Silicone für Schönheit
- Hautcremes, Make-up
(dermatologische
Verträglichkeit)
- Einsatz in
Haarpflegepräparaten
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5. Anwendung und Verwendung
(7) Silicone im Alltag
- Gummibänder an
Armbanduhren
- Siliconhaltige
Trennmittel an
Weinkorken
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6. Schulrelevanz
- Komplexität des Themas: Sekundarstufe II
- Nicht explizit im Lehrplan, aber 13 II
„Angewandte Chemie“ (Unterthema: Kunst- und
Werkstoffe)
- In Schulbüchern teilweise vorhanden
- Hoher Alltagsbezug
- Verbindung zwischen organischer und
anorganischer Chemie
- Stoffe gefahrlos für Schülerarbeit
- Produkte größtenteils „anfassbar“
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Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit
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