Selbsthaftend und gleitfähig zugleich

Allerdings haften Siliconelastomere, sofern sie nicht besonders modifiziert wurden, schlecht auf anderen Materialien. Dies erschwert die Bildung eines stabilen Verbunds. „Um mit herkömmlichen Siliconelastomeren eine gute Haftung zu erreichen, muss die Oberfläche der Hartkomponente aufwendig vorbehandelt werden“, betont Dagmar Rische. „Für den Bauteilhersteller ist dies ein zusätzlicher Arbeitsschritt.“

In etlichen Anwendungen wirkt sich eine weitere Eigenschaft der Siliconelastomere negativ aus: Sie haben gewöhnlich eine gummiartige Oberfläche mit hohem Reibungswiderstand. Diese Eigenschaft kann Schwierigkeiten bei der Weiterverarbeitung und beim praktischen Einsatz verursachen – immer dann, wenn sich der Artikel über eine andere feste Oberfläche bewegt.

Das erste Problem – die schlechten Haftungseigenschaften – löste WACKER bereits im Jahr 1999 mit seiner patentierten Selbsthaftungstechnologie, die zu einem festen chemischen Verbund beider Komponenten führt. Seitdem sind speziell modifizierte Flüssigsiliconkautschuktypen – sogenannte selbsthaftende Typen – erhältlich, mit denen die Vorbehandlung der Hartkomponente überflüssig wird. Diese Technologie öffnete das Tor zu einer schnellen und kostengünstigen Produktion großer Serien von Thermoplast-Siliconelastomer- und Metall-Siliconelastomer-Verbundbauteilen im Zweikomponenten-Spritzguss.

Kommt es dagegen auf Sauberkeit an, kann ein solcher Ölfilm stören. In medizin- oder lebensmitteltechnischen Anwendungen verbietet sich die Verwendung ölausschwitzender Silicone gänzlich. Bis zum Jahr 2007 gab es in solchen Fällen nur die Möglichkeit, entweder den hohen Reibungswiderstand zu akzeptieren oder aber die Oberflächeneigenschaften nachträglich – etwa durch Aufbringen einer dünnen Beschichtung – zu modifizieren. Dazu waren zusätzliche, teilweise komplizierte und aufwendige Arbeitsschritte notwendig.

Eine Alternative bietet die WACKER-Technologie zur Schaffung einer intrinsisch gleitfähigen Siliconoberfläche – entsteht hier doch der reibungsvermindernde Effekt ohne Bildung eines Siliconölfilms. Die Oberfläche des Siliconelastomers bleibt trocken und ist dennoch gleitfähig. Dies führt zu einer Haptik, die für Siliconelastomere untypisch ist.

Bei Bauteilen macht sich die reibungsverminderte Oberfläche sowohl während der Montage als auch in der Endanwendung positiv bemerkbar. Die Teile lassen sich leichter montieren und – etwa zu Wartungs- oder Reinigungszwecken – auch einfacher ausbauen. Besonders bei beengten Einbauverhältnissen erweist sich die gleitfähige Oberfläche als hilfreich. Weil die Montage erleichtert wird, können Geräte schneller gefertigt werden. In vielen Fällen wird sogar eine automatisierte Montage möglich.

Die Technologie der ölfreien Reibungsverminderung generiert noch einen weiteren Effekt, der ebenfalls in etlichen Anwendungen erwünscht ist: Berühren sich zwei Flächen eines Siliconelastomers, wie es etwa bei Ventilschlitzen der Fall ist, und herrschen dabei hohe Temperaturen, wachsen diese Flächen oftmals zusammen. Die WACKER-Technologie verringert diese Tendenz, sodass Schlitze in Dosierventilen offen bleiben.

Im Haftungstest nach DIN ISO 813 zeigte sich, dass die neuen Silicontypen auf etlichen Thermoplasten und auf Metallen gut haften, ohne dass eine vorherige Grundierung oder Plasmabehandlung des Substrats notwendig ist. Eine starke Haftung wird auf Polyamid und Polybutylenterephthalat erreicht, die beide im Zweikomponenten-Spritzguss häufig als Hartkomponente eingesetzt werden. Aber auch Polyetheretherketon, Polyethylenterephthalat und Polymethylmethacrylat erwiesen sich als geeignete Substrate. „Dennoch sollte der Verarbeiter stets das Haftungsverhalten seines Substrats prüfen, bevor er die Massenproduktion aufnimmt“, empfiehlt Dr. Wörner. Denn die auf dem Markt angebotenen Thermoplaste können auch Additive enthalten, die sich auf die Oberflächeneigenschaften und damit auf die Haftung auswirken.

Der mit der WACKER-Selbsthaftungstechnologie erzeugte chemische Verbund lässt beim Bauteildesign deutlich mehr Freiheiten als die altbekannte mechanische Verbindungstechnologie, bei der sich die beiden Komponenten eines Hart-weich-Verbunds durch Hinterschnitte oder Durchbrüche verhaken. Darüber hinaus entstehen bei einem chemischen Verbund keine Zwischenräume zwischen Hart- und Weichkomponente, in denen sich Verschmutzungen sammeln oder Bakterien und Schimmelpilze ansiedeln können – ein wichtiger Aspekt beim Einsatz von Zweikomponentenbauteilen in pharmazeutischen oder medizintechnischen Geräten und im Kontakt mit Lebensmitteln.

Alle Typen des innovativen Portfolios ergeben Elastomere mit einer gleitfähigen Oberfläche. Ihr Gleitreibungskoeffizient liegt zwischen 50 und 70 Prozent unter dem Wert von selbsthaftenden Standard-Siliconelastomeren gleicher Härte. Gemessen wurden die Reibungskoeffizienten in Anlehnung an DIN EN ISO 8295.

„Die Kombination der beiden Technologien haben wir durch ein besonderes Formulierungskonzept erreicht“, erklärt der WACKER-Chemiker Christof Wörner. „Dabei passten wir die Formulierungsbestandteile den Einsatzzwecken an, für die die Flüssigsiliconkautschuke konzipiert wurden.“ So gelang es den Entwicklern, nicht nur Typen für rein technische Anwendungen maßzuschneidern, sondern auch solche hervorzubringen, die speziell für sensible Anwendungen ausgelegt sind.

Für medizintechnische und pharmazeutisch-technische Anwendungen wurde das selbsthaftende und intrinsisch gleitfähige SILPURAN^® 6760/50 konzipiert, das als erste Type des innovativen Portfolios die Marktreife erreichte und bereits 2016 auf der Medizintechnikmesse COMPAMED vorgestellt wurde. Dieser Flüssigsiliconkautschuk wird bei WACKER feingefiltert, optisch kontrolliert und unter Reinraumbedingungen abgefüllt. Er vernetzt zu einem Elastomer der Härte 50 Shore A.

Nach dem Tempern sind Artikel aus SILPURAN^® 6760/50 biokompatibel gemäß ausgewählten Tests nach DIN ISO 10993 und der United States Pharmacopeia (USP) Class VI. Bei der Prüfung gemäß ISO 10993 wurden die Materialien hinsichtlich ihrer Zytotoxizität, Pyrogenität und Sensibilisierung untersucht. Die Prüfung nach USP Class VI umfasste Tests zur akuten systemischen beziehungsweise zur intrakutanen Toxizität und zur Kurzzeitimplantation.

Damit ist SILPURAN^® 6760/50 die Siliconweichkomponente der Wahl zur Herstellung von Dichtungen, die in der medizintechnischen oder pharmazeutischen Anwendung über ein anderes Bauteil geführt werden, wie etwa bei Dichtelementen in Spritzen oder in Dosierpumpen, die nach dem Prinzip einer Kolbenpumpe arbeiten. In beiden Fällen sind die Dicht­elemente an den Kolben angespritzt. Während einer Injektion oder beim Zudosieren eines Arzneistoffs bewegt sich das Dichtelement über die innere Oberfläche des Spritzen- beziehungsweise Pumpenzylinders.

Hat das Dichtelement eine gummiartig stumpfe Oberfläche, erfolgt die Bewegung ruckartig, was die Dosiergenauigkeit beeinträchtigt und zu Druckstößen führen kann, die der Patient bei Injektionen oder Blutentnahmen als unangenehm empfindet. Hergestellt aus SILPURAN^® 6760/50, gleitet das Dichtelement dagegen gleichmäßig und ruckfrei über die Zylinderwand der Spritze, ohne dass dabei Öl aus der Siliconoberfläche austritt; die Gefahr, dass der Arzneistoff kontaminiert wird, ist gebannt.

Auch die Produktreihe ELASTOSIL^® LR 3675 umfasst zwei Typen, eine 30- und eine 50-Shore-A-Type. Bei der Entwicklung dieser Produktreihe hatten die WACKER-Chemiker technische Anwendungen, vor allem im Automobilsektor, im Blick. Die Entwickler griffen auf ein außerordentlich wirksames Haftvermittlersystem zurück und setzten zusätzlich ein Additiv ein, das dem Elastomer bereits im ungetemperten Zustand einen niedrigen Druckverformungsrest verleiht. Beide Formulierungsbestandteile sind in sensiblen Anwendungen nicht zugelassen.

Der Druckverformungsrest gibt Auskunft über das Rückstellvermögen des Elastomers und ist damit eine wichtige Kenngröße für Elastomerdichtungen. Im Idealfall beträgt er 0 Prozent – dann ist das Material perfekt elastisch. Ein völlig inelastisches Material weist dagegen einen Druckverformungsrest von 100 Prozent auf; eine Dichtung aus solch einem Material würde versagen.

Siliconelastomere sind gummielastische Feststoffe, die auf Polyorganosiloxanen basieren. Sie entstehen aus Siliconkautschuken durch einen als Vulkanisation oder Vernetzung bezeichneten Prozess. Hierbei bilden die Polymerketten der siliciumorganischen Makromoleküle ein dreidimensionales Netzwerk. Siliconelastomere zeichnen sich durch ein Eigenschaftsprofil aus, das sie in vielen technischen Anwendungen unentbehrlich macht: Sie sind außerordentlich hitzebeständig, zugleich auch kälteflexibel, chemisch inert und biokompatibel. Siliconelastomere besitzen eine stark hydrophobe, also wasserabweisende Oberfläche, sind für Gase selektiv durchlässig und wirken sehr gut elektrisch isolierend. Typisch ist ihre hohe Beständigkeit gegen eine Vielzahl physikalischer und chemischer Einflüsse, weshalb sie – anders als organische Gummis – auch nicht altern. So bleiben ihre chemischen, physikalischen und technischen Eigenschaften zwischen etwa −50 und +200 Grad Celsius nahezu konstant; ebenso verkraften sie anhaltende mechanische und elektrische Belastungen sowie die fortwährende Einwirkung von Sauerstoff, Ozon und UV-Strahlung.

In den Materialwissenschaften steht der Begriff Tempern allgemein für die Hitzebehandlung eines Werkstoffs, durch die dieser seine Endeigenschaften erhält. Dies gilt auch für Silicone. Getemperte Siliconformteile sind in technischer Hinsicht und unter gesundheitlichen Aspekten den ungetemperten Artikeln überlegen. In den Vulkanisaten von additionsvernetzenden Siliconkautschuken, zu denen auch die Flüssigsiliconkautschuke gehören, baut das Tempern überschüssigen Vernetzer ab, verbessert die Anbindung der Füllstoffe und treibt niedermolekulare Siliconbestandteile aus. Ergebnisse sind eine etwas höhere Härte, eine deutlich verbesserte Weiterreißfestigkeit, ein niedrigerer Druckverformungsrest und ein verringerter Flüchtigengehalt. Als Standardverfahren hat sich das vierstündige Tempern der Siliconartikel bei 200 Grad Celsius in einem speziell für diesen Zweck konstruierten Ofen etabliert, wobei aus Sicherheitsgründen fortwährend ein hoher Luftdurchsatz erforderlich ist. Weil die gesamte den Ofen durchströmende Luftmenge auf 200 Grad Celsius aufgeheizt werden muss, ist das Tempern mit einem hohen Energieaufwand verbunden.

Verformt man eine Elastomerdichtung über eine längere Zeitspanne, nimmt sie nach der Entspannung nicht mehr exakt ihre ursprüngliche Form an, sondern bleibt mehr oder weniger verformt. Das Ausmaß dieser bleibenden Verformung hängt davon ab, wie stark das elastische Rückstellvermögen des Materials unter den herrschenden Lagerbedingungen – verformende Kräfte, einwirkendes Medium und Temperatur – abnimmt. Auskunft darüber gibt der Druckverformungsrest, eine in genormten Prüfverfahren ermittelte Größe. Zur Bestimmung des Druckverformungsrests wird ein Elastomerprüfkörper, dessen Form und Abmessungen in den Prüfnormen festgelegt sind, in eine Pressvorrichtung eingesetzt, auf ein vorher festgelegtes Ausmaß zusammengedrückt und in diesem Zustand eine bestimmte Zeit lang unter den Prüfbedingungen gelagert. Wenn der Prüfkörper anschließend wieder entspannt wird, erreicht er nicht mehr seine ursprüngliche Höhe. Gemessen wird die Höhe des Prüfkörpers vor und nach dem Verpressen sowie nach der Entspannung. Der Druckverformungsrest ist das in Prozent ausgedrückte Verhältnis aus der Höhenverringerung, die nach der Entspannung verbleibt, und der Höhe, um die der Prüfkörper verpresst wurde. Günstig ist ein niedriger Druckverformungsrest – dann hat das Material ein hohes elastisches Rückstellvermögen.