Neue Maßstäbe gesetzt

Bisher mussten Siliconartikel oft erst thermisch nachbehandelt werden, damit sie die geforderten Eigenschaften erhalten. Doch jetzt ist Abhilfe in Sicht, denn WACKER hat die flüchtigen Restsubstanzen in seinen Flüssigsiliconkautschuk-Produkten erheblich gesenkt.

Flüssigsiliconkautschuke – in der Fachwelt auch unter der Bezeichnung Liquid Silicone Rubber, kurz LSR, bekannt – haben sich seit ihrer Einführung in den 1980er-Jahren fest auf dem Markt etabliert. „Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass solche Silicone im Spritzgießverfahren vollautomatisiert zu Siliconformteilen verarbeitet werden können“, erklärt Dr. Thomas Frese, Leiter eines anwendungstechnischen Labors im Business Team Rubber Solutions von WACKER SILICONES. „Auf diese Weise lassen sich Artikel in großen Stückzahlen schnell, effizient, kostengünstig und in hoher Präzision fertigen.“

In den meisten Fällen werden die spritzgegossenen Formteile getempert. Diese nachgeschaltete Hitzebehandlung ist beispielsweise bei Siliconartikeln erforderlich, die aus konventionellen Flüssigsiliconen hergestellt wurden und im Lebensmittel-, Babycare- oder Medizinbereich verwendet werden sollen. Man entfernt damit flüchtige oder extrahierbare Restsubstanzen aus dem Elastomer. Nur so lassen sich die strengen regulatorischen Vorgaben für Siliconartikel einhalten, die für diese sensitiven Anwendungen gelten. Darüber hinaus erhöht die Industrie auch den Druck auf die Siliconverarbeiter, den Flüchtigengehalt in den Endprodukten zu verringern. Siliconhersteller registrieren deshalb immer häufiger Anfragen nach Low-volatile-LSR, also nach Flüssigsiliconkautschuk-Typen mit einem niedrigen Gehalt an flüchtigen Substanzen.

„Wir haben uns dieser Herausforderung gestellt und den Flüchtigengehalt in unseren LSR-Typen, die in Europa hergestellt werden, signifikant reduziert“, erklärt Dr. Wolfgang Schattenmann, der das Business Team Rubber Solutions bei WACKER SILICONES leitet. „Damit haben wir unser LSR-Sortiment zu einem Low-volatile-Produktportfolio aufgewertet.“

Außerdem präsentiert das Unternehmen ELASTOSIL^® LR 5040, eine Produktreihe speziell zur Herstellung von Siliconartikeln für den Lebensmittel-, Babycare-, Pharmazie- und Medizinbereich. „Diese Produktreihe geht noch einmal weit über den neuen Standard des Low-volatile-LSR-Produktportfolios hinaus“, erklärt Claudia Berghammer, Senior Marketing Managerin bei WACKER SILICONES. „Formteile aus ELASTOSIL^® LR 5040 erfüllen die gesetzlichen Vorgaben für sensitive Anwendungen, ohne dass sie getempert werden müssen.“ Diese Produktreihe hatte der Konzern bereits auf der K 2016 angekündigt. Jetzt stehen alle Typen dieser Reihe einer breiten Kundenbasis in vollem Umfang zur Verfügung.

Als Maß für den Flüchtigengehalt wird in diesen Regularien der Gewichtsverlust herangezogen, den die Siliconartikel bei einer genau festgelegten Hitzebehandlung aufweisen – in vielen Fällen vier Stunden Lagerung bei 200 Grad Celsius. Getrocknete Proben der Formteile dürfen bei dieser Behandlung nicht mehr als 0,5 Prozent ihrer Masse verlieren. Vulkanisate marktüblicher Flüssigsiliconkautschuke genügen den Vorschriften nur im getemperten Zustand.

In vielen Fällen sind auch in Siliconartikeln für technische Anwendungen flüchtige Siliconbestandteile unerwünscht. „Hier stehen die technischen Auswirkungen im Mittelpunkt, die durch die niedermolekularen Siloxane verursacht werden können“, erklärt der WACKER-Chemiker Dr. Thomas Frese. „Sie können beispielsweise auf unterschiedlichen Wegen – durch Verdampfen, Extraktion oder Migration – vom Siliconartikel in andere Medien oder auf andere Gegenstände gelangen und dort unerwünschte Effekte auslösen. Daher haben viele Branchen, darunter auch die Automobilindustrie, ein großes Interesse an Siliconkautschuken mit einem niedrigen Gehalt an niedermolekularen Restbestandteilen – auch wenn hier die Vorgaben anders sind als bei sensitiven Anwendungen.

Ziel war es deshalb, den Siliconverarbeitern diesen aufwendigen Prozessschritt zu ersparen. Für sensitive Anwendungen entwickelte ein Team um Dr. Frese ELASTOSIL^® LR 5040. Auf der Grundlage einer neuartigen WACKER-eigenen Verfahrenstechnologie und eines neuen Formulierungskonzepts gelang es, mit ELASTOSIL^® LR 5040 eine Produktreihe bereitzustellen, die innerhalb des LSR-Produktportfolios den mit Abstand geringsten Gehalt flüchtiger, extrahierbarer und migrationsfähiger Bestandteile aufweist und hinsichtlich des Restgehalts flüchtiger Substanzen die genannten Richtlinien für sensitive Anwendungen erfüllt.

Siliconartikel, die aus diesen Kautschuktypen hergestellt werden, erreichen darüber hinaus bereits im ungetemperten Zustand die geforderten sehr guten mechanischen Eigenschaften. Die Prozedur des Temperns ist bei solchen Anwendungen in Zukunft nicht mehr erforderlich.

Aus der Sicht eines Verarbeiters wie der RICO Group, eines international agierenden Komplettanbieters für individuelle Kunststoff lösungen, vereint das Material einige Vorteile, die sich letztendlich auf der Kostenseite
wiederfinden. „Aktuell muss jedes verarbeitete Kilo Flüssigsiliconkautschuk in Form von Fertigteilen in Trommeln oder Trays zu den Temperöfen transportiert werden“, berichtet Vertriebsleiter Martin Rapperstorfer. „Anschließend erfolgt die Verpackung, bei der die LSR-Teile noch einmal bereitgestellt werden müssen. Mit ELASTOSIL^® LR 5040 fällt der Temperaufwand komplett weg und wir produzieren direkt in die Endverpackung“, hebt der österreichische Ingenieur hervor. „Dies hat nicht nur eine Ersparnis der Arbeitsschritten zur Folge, sondern spart auch wertvolle Ressourcen in Form von Energie- und Personalaufwand.“ Zudem könne eine Kontaminierung der Teile während der Manipulationsschritte nahezu ausgeschlossen werden.

Die Untersuchungen zeigen, dass die Flüssigsilicone sehr schnell vernetzen und sich ohne Schwierigkeiten durch Spritzgießen verarbeiten lassen. Zur Verfügung stehen Härtegrade von 30 bis 70 Shore A, darunter auch die im Babycare-Bereich vielseitig einsetzbare Type der Shore-A-Härte 45. Anders als bei konventionellem Siliconkautschuk beziehen sich die angegebenen Härtegrade auf den ungetemperten Zustand. Sie werden bei ELASTOSIL^® LR 5040 mit einer besonders engen Toleranz von ±3 Shore-A-Punkten erreicht. Somit kann der Verarbeiter hinsichtlich der Härte sehr präzise auf die Anforderungen seiner Kunden reagieren.

Die Überprüfung des Flüchtigengehalts erfolgte über Gewichtsverlustmessungen, wie sie das BfR für Lebensmittelanwendungen empfiehlt. Dabei wurden Untersuchungen an Proben aus ungetemperten, zwei Millimeter starken Prüfplatten durchgeführt. Um den Einfluss unterschiedlicher Geometrien beurteilen zu können, erfolgten ergänzende Untersuchungen. Dabei lagen die Gewichtsverluste bei sämtlichen Typen der neuen Produktreihe zwischen 0,15 und 0,4 Prozent und unterschritten somit sicher die 0,5-Prozent-Hürde. Der Sicherheitsabstand zum Grenzwert ist damit so groß, dass unabhängig von der Geometrie der Formartikel in nahezu allen Fällen nicht getempert werden muss, um die gesetzlichen Vorgaben zum Flüchtigengehalt einzuhalten. In einer ähnlichen Größenordnung lagen die Gewichtsverlustwerte, wenn die Proben nach anderen europäischen Normen untersucht wurden.

Für Silicone, die in sensiblen Anwendungen eingesetzt werden, sind in etlichen Gesetzen und Normen auch Obergrenzen für extrahierbare oder migrationsfähige Bestandteile genannt. Vorgaben dazu finden sich etwa in der Verordnung CFR 21 § 177.2600 der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA), im Abschnitt 3.1.9 der europäischen Pharmacopeia und in der BfREmpfehlung „XV. Silicone“. Sie sind auch in der Gesetzgebung einiger EU-Mitgliedsstaaten aufgeführt. Auch diese Anforderungen erfüllt ELASTOSIL^® LR 5040 im ungetemperten Zustand. Zudem sind die ungetemperten Vulkanisate der neuen Flüssigsilicone biokompatibel nach den Vorgaben der USamerikanischen Pharmacopeia (USP Class VI) und nach ausgewählten Prüfungen der Norm ISO 10993.

Die Entwickler um Thomas Frese gaben sich damit aber nicht zufrieden. Sie wollten auch wissen, wie sich das neue Silicon in ausgewählten Babycare-Anwendungen verhält. Dazu unterzogen sie spritzgegossene Trinksauger aus ELASTOSIL^® LR 5040 einem simulierten Beißtest nach EN 14350-1. Dabei werden die Sauger zunächst auf definierte Weise angeritzt. Anschließend wird der Sauger gedehnt und muss zehn Sekunden einer Zugbelastung von 9,5 Kilogramm standhalten. Bei dieser anspruchsvollen mechanischen Prüfung müssen 100 von 100 der getesteten Trinksauger den Test bestehen, es darf kein Sauger vorzeitig reißen.

In diesen Tests schnitten ungetemperte Sauger, die aus dem neuen 45- oder 50-Shore-A-Silicon hergestellt wurden, besonders gut ab. Obwohl die Sauger unterschiedliche Geometrien besaßen, gab es keine Ausfälle. Damit ist das Ergebnis vergleichbar und in einigen Fällen sogar besser als das von getemperten Saugern, die aus marktüblichen LSR-Produkten hergestellt werden.

ELASTOSIL^® LR 5040 eröffnet für den Siliconverarbeiter neue Möglichkeiten. Da der Prozessschritt des Temperns entbehrlich wird, kann der Bauteilhersteller seine Fertigung vereinfachen und eine deutlich höhere Produktivität erreichen. Möglich wird eine schlanke und vollautomatisierte Fertigung, die bei Bedarf auch vollständig im Reinraum durchgeführt werden kann. Mit dem Wegfall des Temperns ist auch die Gefahr einer Bildung explosionsfähiger Luftgemische vollständig gebannt. Damit tragen diese Silicone zu einer höheren Sicherheit im Fertigungsprozess bei.

Typische Beispiele für Siliconartikel, die jetzt ohne Tempern hergestellt werden können, sind neben Babycare-Produkten auch Teile, die mit Lebensmitteln in Kontakt kommen, aber auch medizintechnische und harmazeutischtechnische Erzeugnisse – von Dichtungen für Küchenmaschinen, Kaffeemaschinen oder Aufbewahrungsbehältnisse über Dosierventile bis hin zu Atemmasken.

Die Anforderungen an einen möglichst geringen Gehalt flüchtiger und extrahierbarer Bestandteile steigen nicht nur für Siliconartikel, die für den Lebensmittel-, Babycare- und Medizintechniksektor produziert werden, sondern auch für Bauteile in technischen Anwendungen. Der Münchner Chemiekonzern hat deshalb die meisten seiner Flüssigsiliconkautschuke ebenfalls entflüchtigt. Durch die deutliche Verringerung des Restgehalts an flüchtigen Siloxanen wurde das Produktportfolio nun deutlich aufgewertet. Die Low-volatile-Initiative wurde Anfang 2019 abgeschlossen und betrifft sämtliche LSR-Typen, die WACKER in Europa produziert. Konkret sind dies die Produktgruppen ELASTOSIL^® LR 3xxx, LR 6xxx und SILPURAN^® 6xxx.

Die Verringerung des Flüchtigengehalts wurde durch verfahrenstechnische Optimierungen erreicht. Im Mittelpunkt dieser Aufwertung standen bestimmte flüchtige niedermolekulare Siliconbestandteile, die sogenannten Dx-Siloxane. Für sie gibt es in einigen Branchen wie in der Automobilindustrie Höchstgrenzen.