Siliconbeschichtetes Papier

1. Experiment ist im WACKER-Schulversuchskoffer enthalten	ja
2. Versuchsvorschrift wurde modifiziert	nein
3. Eigene Versuchsvorschrift wurde entwickelt	nein
4. Video-Clip verfügbar	nein
5. Flash-Animation verfügbar	nein

1 Materialien, Chemikalien, Zeitbedarf

Holzbrett
Papier
Glasstab
Trockenschrank oder Heizplatte
Tesafilm (oder ein anderer Klebestreifen)
100 ml Becherglas

(vgl. zu den Abkürzungen Teil 5 Ergänzende Sachinformationen und die Literaturangabe am Ende dieses Versuchs).

Für die Herstellung der DEHESIVE^®-Mischung und das Beschichten des Papiers sollte mit einem Zeitbedarf von ca. 45 Minuten gerechnet werden. Die Vernetzungszeit ist abhängig von der Temperatur und der Schichtdicke. Sie sollte aber für die Versuchstemperaturen maximal eine halbe Stunde betragen. Insgesamt ist der Versuch also in einer Doppelstunde durchzuführen.

2 Versuchsdurchführung und -beobachtung

Zu 50 g DEHESIVE^® (klare Flüssigkeit) gibt man 1,3 g Vernetzer V24 (klare Flüssigkeit) und verrührt beide Flüssigkeiten mit einem Glasstab. Anschließend gibt man 0,5 g des Katalysators OL (gelbliche Flüssigkeit) hinzu und verrührt erneut kräftig. Die Beschichtung von Papieren erfolgt auf folgende Art und Weise:

Papier mithilfe von Klebestreifen auf einem Holzbrett oder einem anderen abwaschbaren, glatten und festen Untergrund fixieren.
An einem Ende des Blattes einen Streifen des Reaktionsgemischs auftragen.
Mit Hilfe eines Glasstabs wird das Gemisch über das Papier gestrichen. Dabei wird der Glasstab fest auf das Papier gedrückt und nach unten gezogen (siehe Foto rechts).
Anschließend wird das beschichtete Papier bei ca. 130°C in den Trockenschrank gelegt und die Zeit bis zum Ende der Vernetzung gemessen. Das Ende der Vernetzung erkennt man daran, dass das Blatt nicht mehr klebrig ist. In weiteren Versuchen wird die Vernetzungszeit bei 50°C und 100°C bestimmt.
Zum Schluß wird die Haftfestigkeit von Tesafilm auf dem beschichteten und dem unbeschichteten Papier getestet.

Bei der Herstellung des Reaktionsgemisches entsteht ein klare, gut fließende Flüssigkeit (siehe rechts), die sich leicht auf dem zu beschichtenden Papier verstreichen läßt.
Nach der Vernetzung im Trockenschrank ist ein klarer, glatter, lackähnlicher Überzug auf dem Papier entstanden.

DEHESIVE^® Mischung

Beim Vergleich mit der Haftfestigkeit von Klebestreifen auf beschichtetem und unbeschichtetem Papier lässt sich folgendes feststellen: Beim Entfernen des Klebestreifens vom unbehandelten Papier wird das Papier beschädigt. Der Klebestreifen hat seine klebenden Eigenschaften verloren und ist unbrauchbar geworden. Dagegen läßt sich der Klebestreifen vom beschichteten Papier, wie bei den aus dem Alltag bekannten Haftetiketten, leicht und ohne Beschädigung abziehen und kann wiederverwendet werden (siehe Fotos unten).
		Mit DEHESIVE^® beschichtetes Papier


Siliconisiertes (a) und unbeschichtetes (b) Papier mit aufgebrachtem Klebestreifen		Siliconisiertes (a) und unbeschichtetes (b) Papier nach dem Entfernen des Klebestreifens

Bei der Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Vernetzungsgeschwindigkeit beobachtet man, dass die Vernetzungszeit stark von der Schichtdicke abhängt und mit steigender Temperatur abnimmt. In mehreren Referenzversuchen wurden, abhängig von der Schichtdicke des Siliconkautschuks und der Temperatur folgende durchschnittliche Vernetzungszeiten gemessen (vgl. Tab. 1).

Temperatur in °C	Vernetzungszeit in Minuten
130	ca. 1
100	ca. 3
50	ca. 20

Tab. 1: Vernetzungszeiten bei unterschiedlichen Temperaturen

3 Versuchsauswertung

Der verwendete DEHESIVE^® 920 Siliconkautschuk besteht aus Polydimethylsiloxan-Molekülen mit vernetzungsfähigen Vinylgruppen. Diese bilden durch eine Additionsvernetzung (vgl. Teil 5 Ergänzende Sachinformationen) eine fest haftende Silicongummischicht aus DEHESIVE^® 920 auf dem behandelten Papier. Die Methylgruppen der Silicon-Moleküle richten sich dabei so aus, dass sie von der Oberfläche wegweisen. Zwischen dem Klebestreifen und der siliconisierten Papieroberfläche ist die Adhäsion relativ schwach, weil es nur zu relativ schwachen zwischenmolekularen Bindungskräften zwischen den ausgerichteten Silicon-Molekülen vom Papier und den Molekülen des Klebers kommt. Der Klebestreifen lässt sich leicht und unverbraucht von der Oberfläche abziehen.
Dagegen treten an der unbehandelten Papieroberfläche starke Wechselwirkungen zwischen den Cellulose-Molekülen des Papiers und den Molekülen des Klebstoffs auf. Der Klebestreifen wird beim Abziehen unbrauchbar und das Papier zerstört.
Durch Temperaturerhöhung wird die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Additionsvernetzung erhöht. Die Vernetzungszeit nimmt daher bei steigender Temperatur ab.

4 Tipps und Anmerkungen

Es empfiehlt sich, das Gemisch in einem Becherglas abzuwiegen und anzusetzen, da der Katalysator und Vernetzer zähflüssig sind und somit die abgewogene Menge nicht der tatsächlich zugegebenen Menge entspricht.
Vor dem Erhitzen muss das Papier vom Holzuntergrund entfernt werden, da sonst wesentlich längere Vernetzungszeiten gemessen werden. Dies liegt daran, dass sich der Untergrund nicht so schnell erwärmt wie das Papier und somit als Kühlung wirkt.
Die Vernetzungszeit ist abhängig von der Schichtdicke. Es ist also darauf zu achten, vergleichbare Schichtdicken auf dem Papier herzustellen. Die Temperaturabhängigkeit der Vernetzungsgeschwindigkeit lässt sich auch bei unterschiedlicher Schichtdicke gut beobachten. In diesem Fall sind die Vernetzungszeiten jedoch schlechter reproduzierbar.
Wenn in der Schule kein Trockenschrank verfügbar ist, kann man die Papiere auch mit normalen Heizplatten erhitzen. Die Messergebnisse sind hier natürlich ungenauer, da die Temperatur nicht so exakt einstellbar ist. Auch unterscheiden sich die Vernetzungszeiten von denen im Trockenschrank. Trotzdem ist die Temperaturabhängigkeit der Vernetzungszeit gut zu beobachten. Beim mehreren Referenzversuchen wurden für 50°C und 100°C die in Tab. 2 angegebenen Vernetzungszeiten gemessen.

Temperatur in °C	Vernetzungszeit in Minuten
ca. 100	ca. 1
ca. 50	ca. 15

Tab. 2: Vernetzungszeiten auf der elektrischen Heizplatte

5 Ergänzende Sachinformationen

DEHESIVE^® Silicontrennpapiere werden vielfach eingesetzt, um den Kleber auf einem Sticker abzudecken und zu konservieren, damit der "Sticker nachher dort klebt, wo er soll". Im beschriebenen Versuch, wie auch in der Praxis, werden heute zur Beschichtung sowohl lösungsmittelhaltige als auch lösungsmittelfreie additions- oder kondensationsvernetzende Polydimethylsiloxane (Siliconkautschuk) verwendet. Diese vernetzen innerhalb kürzester Zeit im Temperaturbereich von ca. 100-200°C. Allgemein ist ein so hergestelltes Trennpapier nach dem folgenden Schema aufgebaut:

Abb. 1: Aufbau eines Haftetiketts mit Siliconbeschichtung (Quelle: Lit. [11], S. 40)

Die Einsatzbereiche der beschichteten Silicontrennpapiere stellen sich wie folgt dar:

Abb. 2: Verwendung von Silicontrennpapieren (Quelle: Lit. [11], S. 40)

Um eine sehr flexible und individuelle Einstellung für verschiedene Beschichtungen zu ermöglichen, wird die im Versuch verwendete DEHESIVE^®- Siliconbeschichtung wie in der Praxis üblich als 3- Komponentenmaterial verarbeitet.
Die Komponenten sind:

Polymer (DEHESIVE^®): Lösungsmittelhaltige und lösemittelfreie Polydimethylsiloxane, die an ihren Kettenenden vernetzungsfähige Hydroxyl- oder Vinylgruppen tragen.
Vernetzer: Hydrogenpolysiloxane mit einem hohen Gehalt an reaktiven Si-H Gruppen zur thermischen Härtung additionsvernetzender Systeme. Die Art und Menge des Vernetzers beeinflusst die Abriebfestigkeit und die Hafteigenschaften des Siliconfilms.
Katalysator: Platinkomplexe (0,1 %, 1000 ppm) für die thermische Vernetzung von Siliconen. Die eingesetzte Katalysatormenge bestimmt die Produktionsgeschwindigkeit, die Vernetzungstemperatur sowie die Topfzeit (= maximale Zeitspanne, in der das Gemisch noch verarbeitet werden kann).

Bei der eigentlichen Vernetzung laufen je nach Reaktionstyp folgenden Reaktionen ab:

Abb. 3: Additionsvernetzung von DEHESIVE^® - Siliconkautschuk (Quelle: Lit. [11], S. 41)

Abb. 4: Kondensationsreaktion von DEHESIVE^® - Siliconkautschuk (Quelle: Lit. [11], S. 41)

Bei der Additionsvernetzung werden die Wasserstoff-Atome aus den Si-H Gruppen an die Vinylgruppen des Polymers addiert. Bei der Kondensationsvernetzung sind ebenfalls die aktiven Si-H Gruppen aus dem Vernetzer beteiligt, hier wird jedoch H₂ abgespalten. In beiden Fällen werden die Silicon-Makromoleküle zu einem Netzwerk miteinander verknüpft. Das erhaltene Material haftet gut an Oberflächen aus Cellulose oder Glas, wobei die polaren Molekülteile des Silicons Wechselwirkungen (Dipol-Dipol Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen) mit dem Substrat ausbilden. Die Methyl-Gruppen der Silicon-Moleküle sind nach außen ausgerichtet (vgl. dazu auch Versuch "Hydrophobe Eigenschaften von Siliconölen").
Dadurch verhält sich das mit Silicon beschichtete Papier gegenüber den gängigen Klebstoffen abhäsiv, d.h. der Klebstoff klebt an der Schicht nicht oder nur ganz schwach. Der Grund für dieses Verhalten sind die schwachen Wechselwirkungskräfte (Van der Waals Kräfte) zwischen den Molekülen des Klebstoffs und den Methyl-Gruppen des Silicons.
Die ungewöhnlich schwachen zwischenmolekularen Bindungskräfte zeigen sich auch im Vergleich der Oberflächenspannung (Oberflächenenergie) der Silicone mit anderen organischen Polymeren, welche durchwegs höhere Oberflächenenergien besitzen (Tab 3).

Polymertyp	Oberflächenspannung in [mNm^-1]
Polydimethylsiloxan	21-22
Polyphenylmethylsiloxan	26
Polyvinylchlorid	40
Polyethylen	30
Stärke	40
Wolle	45

Tab. 3: Oberflächenspannung verschiedener Polymere (Quelle: Lit. [2], S. 59)

6 Literatur

W. Held et al., Begreifen und verstehen - Schulversuche mit WACKER-Produkten (Begleitheft zum WACKER-Schulversuchskoffer), Wacker Chemie AG, München, 2007, S. 40-42