Temperfreie LSR für sensitive Anwendungen

Werden Silikonartikel aus konventionellen Silikonkautschuken hergestellt, sorgt erst das Tempern für das Erreichen der erforderlichen gesetzlichen Anforderungen. Mit neuartigen Flüssigsiliconen von Wacker wird der aufwändige Prozessschritt für viele Anwendungen obsolet.

Flüssigsilikonkautschuke sind eine noch recht junge Werkstoffklasse, haben sich aber bereits fest auf dem Markt etabliert. Sie werden im vollautomatisierten Spritzgießverfahren zu Formteilen verarbeitet. Auf diese Weise können Silikonartikel in großen Stückzahlen schnell, effizient und in hoher Präzision gefertigt werden. In einigen Fällen werden die spritzgegossenen Formteile getempert. Diese Hitzebehandlung muss bei Silikonartikeln durchgeführt werden, wenn sie aus konventionellen Flüssigsilikonen hergestellt und im Babycare-, Lebensmittel- oder Medizinbereich verwendet werden, um flüchtige oder extrahierbare Restsubstanzen aus dem Elastomer zu entfernen. Nur so lassen sich die strengen regulatorischen Vorgaben für Silikonartikel einhalten, die bei sensitiven Anwendungen gelten.

Das Tempern stellt einen kosten-, zeit- und arbeitsaufwändigen Prozessschritt dar, der die Silikonverarbeiter in ihrer Produktivität erheblich einschränkt. Deshalb hat Wacker mit seiner neuen Produktreihe Elastosil LR 5040 Flüssigsilikonkautschuke einer neuen Generation auf den Markt gebracht, die dieses Problem lösen: Tempern ist damit in vielen Fällen künftig nicht mehr erforderlich.

Spritzgegossene Silikonformteile sind im Idealfall ohne weitere Fertigungsschritte einsatzbereit. In der Praxis ist es allerdings oftmals sinnvoll und in einigen Fällen sogar notwendig, die Teile bei Temperaturen bis 200 °C in einem gut belüfteten Ofen für mehrere Stunden auszuheizen. Diese als Tempern bezeichnete thermische Nachbehandlung (siehe Kasten) verbessert die mechanischen Eigenschaften des Elastomers und sorgt dafür, dass flüchtige Bestandteile entfernt werden, die als Nebenprodukte bei der Herstellung von Silikonpolymeren entstehen.

Ob eine Wärmenachbehandlung notwendig ist, hängt von der Zusammensetzung der verarbeiteten Silikonkautschukmasse und von der späteren Anwendung der Formteile ab. Bei Artikeln für sensitive Anwendungen etwa setzt der Gesetzgeber mit strengen Reinheitsvorschriften einen hohen Sicherheitsstandard.

Besonders rein müssen beispielsweise Silikonartikel für Babycare- und Lebensmittelanwendungen sein. In diesen Fällen darf der Flüchtigengehalt höchstens 0,5 % betragen. Diesen Grenzwert nennen die Empfehlung "XV. Silikone" des Bundesinstituts für Risikobewertung (BfR), das französische Dekret vom 25. November 1992 oder die Schweizer Bedarfsgegenständeverordnung 817.023.21 sowie die für die Säuglings- und Kleinkind-Trinkausstattung geltende Norm EN 14350-2 sowie die Norm EN 1400, welche für Beruhigungssauger gilt.

Als Maß für den Flüchtigengehalt wird in den Regularien der Gewichtsverlust herangezogen, den die Silikonartikel bei einer genau festgelegten Hitzebehandlung – in vielen Fällen vier Stunden Lagerung bei 200 °C – aufweisen: Getrocknete Proben der Formteile dürfen bei dieser Behandlung nicht mehr als 0,5 % ihrer Masse verlieren. Die Vulkanisate konventioneller Flüssigsilikonkautschuke genügen den Vorschriften nur im getemperten Zustand.

Das Tempern der Vulkanisate bedeutet aber für den Silikonverarbeiter einen zusätzlichen Prozessschritt in seiner Fertigung, der nicht nur mit einem hohen Energieeinsatz verbunden ist und Emissionen erzeugt, sondern auch die Produktivität begrenzt. Während das Spritzgießen und das Verpacken der Artikel vollautomatisch und mit kurzen Taktzeiten abläuft, ist das Tempern ein noch weitgehend manueller Prozess: Das Befüllen und Entleeren der Temperöfen geschieht meist per Hand – das Ausheizen der Silikonteile selbst dauert meist mehrere Stunden. Somit unterbricht das Tempern die Prozesskette und begrenzt die Fertigungskapazität.

Die Chemiker von Wacker verfolgten daher das Ziel, den Silikonverarbeitern diesen aufwändigen Prozessschritt zu ersparen. Auf der Grundlage einer neuen Produkttechnologie und eines neuartigen Formulierungskonzepts entwickelten sie die Flüssigsilikonkautschuk-Reihe Elastosil LR 5040. Silikonelastomerartikel, die im Spritzgießverfahren aus diesem Kautschuk hergestellt werden, erreichen bereits im ungetemperten Zustand sehr gute mechanische Eigenschaften und erfüllen hinsichtlich des Restgehaltes flüchtiger Substanzen die genannten Richtlinien für sensitive Anwendungen. Tempern ist somit bei bestimmten Anwendungen und in vielen Fällen zukünftig nicht mehr erforderlich.

Für den Verarbeiter sind das gute Nachrichten. "Mit der Einführung der neuen Produktreihe Elastosil LR 5040 unterstützt uns Wacker dabei, den steigenden Anforderungen im Baby-Care-Markt gerecht zu werden", sagt beispielsweise Peter Röhrig, Geschäftsführer der MAM Babyartikel GmbH. Das in Österreich und in der Schweiz ansässige Unternehmen gehört zu den führenden Herstellern von Schnullern, Babyflaschen und Trinksaugern. "Die besonderen Eigenschaften von Elastosil LR 5040 ermöglichen es uns, unsere Qualitätsansprüche an unsere Produkte noch besser erfüllen zu können", sagt der Firmenchef, dessen Mitarbeiter das neue Produkt bereits ausgiebig getestet haben. "Als Markt- und Innovationsführer vertrauen wir auf die Qualität und Expertise unseres langjährigen Entwicklungspartners Wacker."

Die Wacker-Entwickler und -Anwendungstechniker prüften die verschiedenen Härtevarianten der neuen Elastosil. LR 5040-Reihe eingehend hinsichtlich ihrer Verarbeitungs- und Bauteileigenschaften. Im Mittelpunkt stand dabei die Frage, ob die Vulkanisate die hochgesteckten Ziele erreichen. Die Untersuchungen zeigen, dass sich die Flüssigsilikone ohne Schwierigkeiten durch Spritzgießen verarbeiten lassen. Zur Verfügung stehen derzeit 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 Silikonkautschuk 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 zunächst über Gewichtsverlustmessungen, wie es das BfR für Lebensmittelanwendungen empfiehlt. Dabei wurden Untersuchungen an Proben aus ungetemperten, zwei Millimeter dicken Prüfplatten durchgeführt.

Der Gewichtsverlust lag bei allen Typen unter 0,4 % und unterschritt somit sicher die 0,5-%-Grenze. Auch bei den Untersuchungen nach EN 14350-2, welche für die Säuglings- und Kleinkind-Trinkausstattung gilt, betrug der Gewichtsverlust weniger als 0,4 %. Für Silikone, die in sensiblen Anwendungen eingesetzt werden, sind in etlichen Gesetzen und Normen auch Obergrenzen für extrahierbare oder migrierbare 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 BfR-Empfehlung "XV. Silikone", sowie in der Gesetzgebung einiger europäischer Mitgliedsstaaten.

Auch diese Anforderungen erfüllt Elastosil LR 5040 im ungetemperten Zustand. Zudem sind die ungetemperten Vulkanisate der neuen Flüssigsilikone biokompatibel nach den Vorgaben der amerikanischen Pharmacopeia (USP) Class VI und der Norm ISO 10993.

Den Anspruch der neuen Flüssigsilikone, außerordentlich rein zu sein, unterstreicht auch ihr optisches Erscheinungsbild: Sie sind transluzent und schimmern zartblau. Die aus ihnen hergestellten Formteile hinterlassen einen besonders hochwertigen, sauberen Eindruck. Außerdem konnte die Vergilbungsneigung, wie sie bei der Lagerung getemperter Flüssigsilikonartikel teilweise auftritt, auf ein Minimum reduziert werden.

Hohe Anforderungen bestehen in vielen sensitiven Anwendungen aber nicht nur hinsichtlich der Reinheit, sondern auch hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften. Bei Trink- und Beruhigungssaugern, Beißringen und anderen Babycare-Artikeln etwa muss das Silikon so beschaffen sein, dass Säuglinge oder Kleinkinder es nicht schaffen, kleine Stückchen von den Artikeln abzubeißen. Babycare-Artikel können die erforderliche Beißfestigkeit nur dann erreichen, wenn das Material entsprechend hochweiterreißfest ist. Kleinere Risse dürfen sich auch dann nicht fortsetzen, wenn der Gummi beansprucht wird.

Auch hier können die neuartigen Flüssigsilikonkautschuke punkten: Ihre Vulkanisate besitzen bereits im ungetemperten Zustand einen Weiterreißwiderstand von bis zu 45 Newton pro Millimeter (gemessen nach ASTM D 624 B). Derartige Werte erreichen konventionelle Flüssigsilikone normalerweise erst nach dem Tempern. Ein Beispiel: Ein vernetztes Silikon aus Elastosil LR 3003 mit einer Härte von 50 Shore A besitzt im ungetemperten Zustand einen Weiterreißwiderstand von 24 Newton pro Millimeter. Nach vierstündigem Tempern bei 200 °C steigt der Wert auf 30 Newton pro Millimeter. Das gleiche Silikonteil aus Elastosil LR 5040 mit der gleichen Härte erreicht dagegen ohne thermische Nachbehandlung bereits

40 Newton pro Millimeter.

Die Wacker-Entwickler gaben sich aber damit nicht zufrieden. Sie wollten auch wissen, wie sich das neue Silikon in ausgewählten Baby-Care-Anwendungen verhält. Dazu unterzogen sie spritzgegossene Trinksauger aus Elastosil LR 5040 einem simulierten Beißtest nach EN 14350-1: Die Sauger werden zunächst auf definierte Weise angeritzt und anschließend in Längsrichtung gedehnt. Dabei müssen die Sauger zehn Sekunden lang einer Zugbelastung von 9,5 kg standhalten.

In diesen Tests schnitten ungetemperte Sauger, die aus dem neuen 45- bzw. 50- Shore-A-Silikon hergestellt wurden, besonders gut ab. Bei den Beißtests gab es keine Ausfälle mit der eingesetzten Saugergeometrie. Damit ist das Ergebnis vergleichbar und in einigen Fällen sogar besser als das von getemperten Saugern, die aus marktüblichen, hochkerbfesten LSR-Produkten hergestellt werden. Elastosil LR 5040 überzeugt auch noch in anderer Hinsicht. Die stark dehnbaren, elastischen Vulkanisate sind bereits im ungetemperten Zustand schnappig. Das bedeutet: Fällt die verformende Belastung weg, nimmt ein verformter Artikel innerhalb von Sekundenbruchteilen wieder seine ursprüngliche Gestalt an.

Das neue Flüssigsilikon eignet sich auch für die Herstellung von Schlitzventilen, wie sie etwa in Anti-Kolik-Ventilen von Baby-Trinkflaschen benötigt werden. Vulkanisate konventioneller Flüssigsilikone neigen im ungetemperten Zustand zu einem Zusammenwachsen der Schnittflächen, was die Ventile in ihrer Funktion beeinträchtigt. Erfahrungen haben gezeigt, dass mit Elastosil LR 5040 dieser Effekt deutlich abgemildert werden kann.

Sowohl die gesetzlichen als auch die industriellen Anforderungen an die Rohstoffindustrie steigen stetig. So werden immer strengere Vorschriften erlassen, gerade auch den Anteil flüchtiger Bestandteile betreffend. Das ist eine Herausforderung für die gesamte Chemiebranche und betrifft auch die Flüssigsilikonkautschuke. Dieser Trend wird im Wesentlichen vom Babycare- und Lebensmittelmarkt, aber auch von der Automobilindustrie getrieben.

Die Reduktion von flüchtigen Bestandteilen hat auch positive Effekte auf die Eigenschaften von Spritzgussartikeln aus Flüssigsilikonkautschuken. Wacker hat deshalb entschieden, sein LSR-Produktportfolio zu optimieren und den Gehalt an flüchtigen Substanzen signifikant zu reduzieren. Dank modernster Produktionstechnologien, die zum Einsatz kommen, ist Wacker jetzt in der Lage, weit über gesetzliche Vorgaben hinaus zu gehen. Damit stellt sich das Unternehmen den wachsenden Anforderungen, wovon auch die Kunden gleich in mehrfacher Hinsicht profitieren.

Mit den hochreinen Flüssigsilikonkautschuken der Produktreihe Elastosil LR 5040 befreit der Münchner Chemiekonzern die Verarbeiter bei der Herstellung diverser Formteile von der Last des Temperns, selbst wenn die spritzgegossenen Silikonartikel in sensitiven Bereichen eingesetzt werden. Wacker reduziert die unerwünschten niedermolekularen Bestandteile sehr effizient in den Rohstoffen und speist die abgetrennten Substanzen wieder in den Siliciumkreislauf des Produktionsstandorts ein. Auf diese Weise trägt der Silikonhersteller dazu bei, den ökologischen Fußabdruck von Silikonen weiter zu verbessern.

Für den Silikonverarbeiter eröffnet Elastosil LR 5040 neue Möglichkeiten. Da der Prozessschritt des Temperns entbehrlich wird, kann der Hersteller seine Fertigung verschlanken und eine deutlich höhere Produktivität erreichen. Damit wird eine vollautomatisierte Fertigung möglich, die bei Bedarf auch vollständig im Reinraum durchgeführt werden kann. Typische Beispiele für Silikonartikel, die der Verarbeiter jetzt ohne Tempern herstellen kann, sind neben unterschiedlichsten Babycare-Produkten auch Produkte, die in Kontakt mit Lebensmittel kommen können, wie Dichtungen für Aufbewahrungsbehältnisse, oder auch medizintechnische Erzeugnisse wie Beatmungsmasken, Einzeldosisbehälter für Augentropfen oder Filterelemente mit integrierten Dichtelementen.

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