Читать книгу Silicium- und Nanotechnologie für Lacksysteme - Frank Groß - Страница 6
Оглавление2Reaktionsprinzipien des Siliciums
Das Silicium hat als Halbmetall eine besondere Stellung. Es kann sowohl ionische als auch kovalente Bindungen ausbilden. Dieses kann man in der Lackchemie für unterschiedliche Eigenschaftsänderungen verwenden. Prinzipiell gibt es für Lacksysteme zwei Reaktionsprinzipien des Siliciums [1]:
Reaktionen mit bzw. zu anorganischen Verbindungen
Reaktionen mit bzw. zu Kohlenstoffverbindungen
Silicium dient damit als Brückenatom zwischen anorganischen und organischen Reaktionsprinzipien (siehe siehe Abbildung 2.1).
Abbildung 2.1: Modell eines Organosilanes
Im anorganischen Bereich wird üblicherweise eine Reaktion über den Sol-Gel-Prozess initiiert. Die Silane können mit sich selbst (als atomare Redoxreaktion), mit Metallionen (als ionische Reaktion) oder auch mit Partikeloberflächen (Adhäsionsreaktion) reagieren.
In der Organik dienen die organischen Seitenketten, z.B. bei einem Bindemittel, zur Flexibilisierung, Hydrophobierung oder Hydrophilierung (Netzwerkwandler) und auch bei funktionellen Seitenketten zur Reaktion mit sich selbst oder als Copolymer in einem organischen Netzwerk (Netzwerkbildner), siehe siehe Abbildung 2.1.
Abbildung 2.2: Vom Silicium zur Hochleistungsbeschichtung
Abbildung 2.2 zeigt beispielhaft die vielen Reaktionsmöglichkeiten des Siliciums.
Ausgehend vom Silicium gibt es eine Vielzahl von Rohstoffen, den sogenannten Silanen, die als Zwischenstufe zur Synthese eines Bindemittels, eines Lackrohstoffes, einer Funktionsschicht, eines Partikels oder einer fertigen Beschichtung dienen. Die wichtigsten Vertreter, die auch als Zwischenstufe für Lackrohstoffe eingesetzt werden sind:
Hydrosilane
Chlorsilane
Polysilazane
Alkoxysilane
Organoalkylsilane
funktionalisierte Organosilane
Wie in Kapitel 1 erklärt, ist das Element Silicium ähnlich wie das Kohlenstoffatom ein Sonderfall im Periodensystem. Silicium kann Bindungen zu anorganischen Netzwerken knüpfen und durch Reaktion an Kohlenstoffketten auch in einem organischen Netzwerk eingebaut werden. Interessanterweise können beide Bindungsprinzipien an einem Atom erfolgen, d.h. ein Silicium-Atom mit seinen vier Bindungsmöglichkeiten kann parallel ionische und kovalente Bindungen ausbilden. Natürlich kommt es zu Wechselwirkungen und zu einer gegenseitigen Beeinflussung. Diese kann man wiederum nutzen, um makroskopische Größen, wie beispielsweise die Härtungstemperatur, zu beeinflussen.
Ausgehend von diesen Rohstoffen können nun unterschiedliche Reaktionswege getrennt oder parallel ablaufen (siehe Abbildung 2.2).
Durch Reaktionen entstehen dadurch folgende Produkte:
alkali-modifizierte Glasnetzwerke
metalloxid-modifizierte Glasnetzwerke
Silanisieren von Partikeln, auch Metallpartikeln
Partikelsynthese jeglicher Größe, im Mikrometer- bis Nanometerbereich
organisch-modifizierte Glasnetzwerke
Silicone
silanterminierte Polymere („Silixane“)
Funktionelle Polysiloxane, Vernetzung in Polymer- oder Lacknetzwerke
…
Wie man erkennen kann, bietet die Silanchemie eine Vielzahl von Prozessen und Möglichkeiten. Nun ist jedoch nicht alles neu, sondern man kann auf altbekannte Zusammenhänge aus den verschiedenen in der Literatur beschriebenen Bereichen zurückgreifen. Mit anderen Worten: Um etwas zu funktionalisieren, macht es auf jeden Fall Sinn, zu verstehen, welche Modifikationen bei bekannten chemischen Prozessen zu welchen Eigenschaften führen. Demnach sollte man sich zunächst mit den einfachen Grundlagen der Siliciumchemie beschäftigen.
Im Folgenden gibt es eine kurze Exkursion durch die Glaschemie, die Keramik, die Wasserglaschemie, die Sol-Gel-Prozesse zur Herstellung von Beschichtungsmaterialien aus Silanen, die Nanotechnologie, die Siliconchemie und schließlich die Lackchemie und den Korrosionsschutz.
Dadurch entsteht ein Grundverständnis für die Reaktionsmöglichkeiten der Silane und ihrer Anwendungen in der Lackchemie. Unser Ziel ist das Wissen, wie man multifunktionelle Beschichtungen für die richtige Anwendung herstellt und appliziert. Das vorliegende Buch beschreibt, wie silanbasierte Lackrohstoffe synthetisiert werden und erklärt wie diese als Ergänzung oder Ersatz in der konventionellen Lackchemie eingesetzt werden können.
Ausgehend vom Silicium erfährt der Leser in den ersten Kapiteln wie aus dem Sand, also Siliciumdioxid, wichtige Lackrohstoffe synthetisiert werden können. Das Kapitel 3 beleuchtet zunächst das elementare Silicium.
