Silikon-Spritzgussteile: Materialien

Grundsätzlich unterscheidet man Silikonkautschuke anhand ihrer Viskosität und der Struktur ihrer Polymere. Geläufig ist die Unterteilung in Festsilikon / HTV-Silikon (High Temperature Vulkanized) und Flüssigsilikon / LSR-Silikon (Liquid Silicone Rubber)an.

Die Materialien können in unterschiedlichen Verfahren zu Herstellung von Spritzgussteilen verwendet werden. Silikon ist als Material im Vergleich zu anderen Materialien wie EPDM oder PVC spürbar teurer, verfügt aber über Eigenschaften, die den höheren Preis rechtfertigen.

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Zur Herstellung von Spritzgussteilen aus Silikon können nicht nur verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen, sondern auch unterschiedliche Silikonkautschuke. Als Merkmal zur Klassifizierung dient neben der Polymerstruktur oftmals auch die Viskosität des Materials, sodass im Allgemeinen zwischen festem und flüssigem Silikonkautschuk unterschieden wird. Festsilikon wird als HTV-Silikon („High Temperature Vulkanized“) bezeichnet, während Flüssigsilikon als LSR-Silikon (Liquid Silicone Rubber) bekannt ist.

Dem höheren Preis stehen ausgezeichnete Eigenschaften gegenüber.

Mit Blick auf das Preisniveau ist Silikon als Werkstoff zwar deutlich teurer als etwa EPDM oder PVC, doch zeichnen sich daraus hergestellte Formteile sowie auch andere Produkte durch zahlreiche positive Materialeigenschaften aus, zum Beispiel:

• Ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit (bis max. +280 °C)
• Hervorragende Kälteflexibilität (bis max. -80 °C)
• Geringe Änderungen der Materialeigenschaften in einem breiten Temperatureinsatzbereich
• Hohe Beständigkeit gegenüber UV-Strahlung, Chemikalien, Sauerstoff, Ozon und Wettereinflüsse
• Hydrophobe Oberfläche
• Frei einfärbbar

Silikonkautschuke sind keine rein organischen Verbindungen. Anders als bei organischen Kautschuken mit ihrer Kohlenstoff-Polymerkette besteht die Polymerkette von unvernetztem Silikon abwechselnd aus Silicium- und Sauerstoffatomen. Neben diesem Siloxangerüst ist auch ein organischer Rest, meist Methylgruppen an das Silicium gebunden. Da Siliziumatome vier Bindungspartner haben, wird Silikonkautschuk auch mit einem Q abgekürzt, das für „Quaternäre Gruppe“ steht, zum Beispiel bei MQ, VMQ, PVMQ oder FVMQ. Die Eigenschaften von Silikonkautschuk hängen vom organischen Rest und der Polymerstruktur ab. Die Materialvorteile überwiegen jedoch klar, denn die Silicium-Sauerstoff-Kette (Si-O) besitzt mit 451 kJ/mol eine im Vergleich zur Kohlenstoff-Kette (C-C) mit 352 kJ/mol deutlich höhere Bindungsenergie bei ebenso hoher Kettenbeweglichkeit.

Um ein mechanisch stabiles Polymer zu erhalten, werden Vernetzer benötigt. Hierbei kommen üblicherweise Platinkatalysatorsysteme oder Peroxide zum Einsatz. Das elastische Netzwerk des Silikons wird indes durch Füllstoffe wie zum Beispiel gefällte oder pyrogene Kieselsäuren verstärkt. Der Zusatz von Quarz sorgt hingegen für eine erhöhte Medienbeständigkeit des Polymers. Ansonsten kommt Silikon mit nur sehr wenigen Additiven aus. Ihr Einsatz beschränkt sich beispielsweise auf Stabilisatoren zur Optimierung der Materialeigenschaften in Spezialanwendungen sowie auf Mastizierhilfen oder auch auf Farben. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass einige Additive bereits eine Eigenfarbe besitzen. Alterungsschutzmittel, Weichmacher oder Vernetzungsbeschleuniger- und -verzögerer werden hingegen nicht benötigt.

Verglichen mit anderen Elastomeren verfügt insbesondere Flüssigsilikon über eine ausgesprochen hohe Reinheit und ist geruchs- und geschmacksneutral. Dies macht den Werkstoff ideal für den Einsatz im Medizin- und Lebensmittelbereich.

Um ein elastomeres Material zu erhalten, muss unvernetzter Silikonkautschuk zunächst vernetzt werden. Dabei kann die Vernetzung auf zwei verschiedenen Wegen stattfinden, nämlich durch platinkatalysierte, sogenannte Additionsvernetzung oder aber durch Peroxidvernetzung.

Additionsvernetzung

Bei der Additionsvernetzung werden mithilfe des Platinkatalysators die Si-H-Gruppen an die Doppelbindungen der Vinylgruppen des Polymers addiert, wobei ein dreidimensionales Netzwerk gebildet wird. Diese Art der Vernetzung ist insbesondere für solche Formteile geeignet, bei denen es auf Geruchs- und Geschmacksneutralität ankommt, wie zum Beispiel in Lebensmittelanwendungen. Bei der Additionsvernetzung entstehen nämlich keine Spaltprodukte, die sich in irgendeiner Weise negativ darauf auswirken.

Ein weiterer Vorteil dieser Methode liegt in der hohen Vernetzungsgeschwindigkeit, welche über die Temperatur kontrolliert werden kann. Der Zeitvorteil lässt sich besonders bei der Produktion dünnwandiger Silikonformteile ausspielen. Zudem können die Silikonformteile gut entformt werden und besitzen eine trockene Oberfläche. Dies ermöglicht auch eine einfache Weiter- und Endbearbeitung der Formteile und insgesamt kürzere Taktzeiten im Produktionsprozess. Die Additionsvernetzung ist eine der modernsten Vernetzungsmethoden und wird zumeist für Flüssigsilikone angewendet.

Peroxidvernetzung

Die Peroxidvernetzung gilt als konventionelle, seit Jahrzehnten bewährte Art der Vernetzung unter Einsatz von organischen Peroxiden. Bei erhöhter Temperatur zerfallen die Peroxide in hochreaktive Radikale, durch welche letztendlich die chemische Vernetzung der Polymerketten einsetzt. Sauerstoffkontakt sollte bei der Peroxidvernetzung jedoch unbedingt vermieden werden, denn kommen die Oberflächen der Formteile während der Vernetzung mit Luftsauerstoff in Kontakt, bleiben diese klebrig.

Bei HTV-Silikon handelt es sich um hochtemperaturvernetzendes Festsilikon, das in unterschiedlicher Form geliefert werden kann. Es ist in der Regel ein plastisch verformbares, pastös-klebriges, gerade noch fließfähiges Material, das neben organischen Peroxiden als Vernetzungskatalysatoren hochdisperse Kieselsäure enthält. Die möglichen Lieferformen des Festsilikons reichen von Granulaten über Streifen, Profilbändern und Rundschnüren bis hin zu Blöcken. Unvernetzt ist das hochtemperaturvernetzende Silikon zudem wenig reißfest, sodass es in der Regel nicht ohne zusätzlichen Aufwand von Spritzgießmaschinen eingezogen werden kann, wenn es in Streifenform vorliegt.

Was die Werkzeuge zur Herstellung von Formteilen aus hochtemperaturvernetztem Silikon betrifft, so unterscheiden diese sich in ihrem Aufbau nicht allzu sehr von denen, die zur Verarbeitung derer aus Gummi verwendet werden. Da das Material jedoch eine sehr geringe Viskosität besitzt, sind sehr präzise Passungen nötig. Aufgrund der Adhäsion des Werkstoffs erlauben aufgeraute Oberflächen zudem eine einfachere Entformung des fertigen Formteils.

Wie erwähnt verursacht Sauerstoffkontakt bei der Vernetzung des Materials klebrige Stellen an der Produktoberfläche und darüber hinaus auch eine Verschmutzung des Werkzeugs. Um Lufteinschlüssen vorzubeugen ist somit ein besonderes Augenmerk auf die optimal gestaltete Entlüftung des Werkzeugs zu richten. Da die Werkzeugherstellung vergleichsweise kostenintensiv ist, eignet sich das Spritzgießen vor allem für die Produktion von Formteilen aus Silikon in Großserien, da es mit kurzen Zyklen direkt vom Rohmaterial zum Fertigteil führt. Je nach Wanddicke lassen sich die Zykluszeiten durch entsprechend hoch gewählte Werkzeugtemperaturen reduzieren.

Flüssigsilikone, kurz LSR, bestehen aus zwei Komponenten und werden durch Additionsvernetzung vernetzt. Die Mischung der zwei Komponenten im Spritzaggregat bei der Verarbeitung im Spritzgießverfahren erfolgt in einem Verhältnis von 1:1.

Unvernetzt ist LSR üblicherweise milchig-weiß oder transparent und lässt sich ebenso gut einfärben wie Festsilikon. Bis auf die erheblich geringere Viskosität im Rohzustand gibt es kaum Unterschiede zwischen Flüssigsilikon und Festsilikon, was etwa die elektrischen und mechanischen Eigenschaften betrifft.

Aus LSR hergestellte Formteile sind ebenso temperaturbeständig, kälteflexibel und alterungsresistent wie jene aus hochtemperaturvernetztem Silikon, jedoch lässt sich ihnen gegenüber eine hohe Reißdehnung und verbesserte Weiterreißfestigkeit feststellen. Das Flüssigsilikon wird beim Spritzgießen in das heiße Werkzeug eingespritzt, wobei niedrige Einspritzdrücke möglich sind - nicht zuletzt auch, um eventuelle Lufteinschlüsse zu vermeiden. Die Kriterien der Werkzeugkonstruktion sind bei Flüssig- und Festsilikon dieselben.

Verglichen mit anderen Silikonkautschuken ist der Kilopreis von LSR zwar deutlich höher, doch sehr kurze Zykluszeiten und auch der Einsatz eines materialsparenden und Zykluszeit verkürzenden Kaltkanalsystems gleichen diesen wieder aus. Somit lohnt sich der Einsatz eines materialsparenden und Zykluszeit verkürzenden Kaltkanalsystems. Formteile aus Flüssigsilikon sind aufgrund ihrer hohen physiologischen Verträglichkeit optimal in Anwendungen mit Lebensmittelkontakt geeignet.