Ein fester Verbund – auch ohne Vorbehandlung

Weit verbreitet sind Kunststoffbauteile, in denen eine harte und eine weiche, elastische Komponente kombiniert sind. In diesen sogenannten Hart-Weich-Verbunden sorgt meist ein steifer thermoplastischer Kunststoff für die Festigkeit. Die Weichkomponente bringt hingegen eine dichtende, schwingungsdämpfende oder schallabsorbierende Funktion ein oder verbessert die haptischen Eigenschaften des Formartikels.

Wird eine transparente, schlagzähe und wärmeformbeständige Hartkomponente benötigt, die zudem für Medizinprodukte eingesetzt werden kann, greifen die Produktgestalter gern auf Polycarbonat zurück. Für die Weichkomponente fällt die Wahl immer häufiger auf ein Siliconelastomer, besonders wenn in der Anwendung das Eigenschaftsprofil der Silicone gefragt ist: Diese sind chemisch und biologisch inert, hitzebeständig, kälteflexibel und alterungsbeständig.

Eine gute Haftung ist Voraussetzung für die sichere Funktion eines Verbundbauteils – und um Großserien solcher Artikel kostengünstig herstellen zu können. „Als besonders herausfordernd hinsichtlich der Haftung erweist sich die Materialpaarung Polycarbonat/Silicon“, betont Dr. Florian Liesener, Leiter eines anwendungstechnischen Labors für Flüssigsiliconkautschuke bei WACKER in Burghausen. „Um mit herkömmlichen Siliconen eine zuverlässige Haftung zu erreichen, muss die Oberfläche des Polycarbonats zuvor entweder mit einem Primer grundiert oder durch eine Plasmabehandlung aktiviert werden.“ Für den Bauteilhersteller, so Dr. Liesener, bedeute dies einen zusätzlichen, aufwendigen Arbeitsschritt.

Mit der neuen Produktreihe ELASTOSIL^® LR 3078 hat WACKER Flüssigsiliconkautschuke entwickelt, die fest auf Polycarbonat haften, ohne dass das thermoplastische Substrat entsprechend vorbehandelt werden muss. „Diese selbsthaftenden Silicone können im Zweikomponenten-Spritzgießverfahren vollautomatisiert verarbeitet werden“, betont Dagmar Rische, die als Marketing-Managerin im Bereich Engineering Silicones bei WACKER tätig ist. „Dafür nutzen wir eine neuartige, patentierte Selbsthaftungstechnologie, die speziell für die Paarung Polycarbonat/Silicon entwickelt wurde.“

Diese Technologie, die in ELASTOSIL^® LR 3078 zum Einsatz kommt, führt zu einem schnellen Haftungsaufbau – bereits im Formwerkzeug der Spritzgießmaschine wird eine sehr hohe Haftfestigkeit erreicht. Da die Silicone jedoch nicht am metallischen Formwerkzeug haften, lassen sich die Verbundartikel problemlos entformen. Auch ist keine Nachbearbeitung notwendig, die Formteile können direkt weiterverarbeitet werden. Mit Härtegraden von 20 bis 70 Shore A decken die Typen der Produktreihe den gesamten Härtebereich ab, den die Bauteildesigner für die Weichkomponente von Polycarbonat-Silicon-Verbundartikel benötigen.

„Auch hinsichtlich der Verarbeitung kann unsere Reihe ELASTOSIL^® LR 3078 punkten, wie die Laborprüfungen und Spritzgussversuche zeigen“, betont Marketing-Managerin Dagmar Rische. So vernetzen diese Flüssigsiliconkautschuke außerordentlich schnell; selbst wenn die Aushärtung bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen erfolgt, lassen sich beim Spritzgießen kurze Zykluszeiten erreichen. „Der Verarbeiter kann somit seinen Prozess auf die begrenzte Wärmeformbeständigkeit der Hartkomponente abstimmen und trotzdem eine hohe Produktivität erzielen“, hebt Rische weiter hervor.

Einen weiteren Pluspunkt sammelt ELASTOSIL^® LR 3078 hinsichtlich der Verarbeitung im Spritzguss dadurch, dass die Siliconkautschuk-Formulierungen eine sehr geringe Tendenz zur Bildung von möglichen Formablagerungen im Werkzeug aufweisen. Bilden sich im Spritzgussprozess Formablagerungen, müssen die Formwerkzeuge ausgebaut und gereinigt werden. Mit ELASTOSIL^® LR 3078 sind Produktionsunterbrechungen dieser Art praktisch ausgeschlossen, sodass vollautomatisierte Prozesse möglich sind.

Darüber hinaus lassen sich aus ELASTOSIL^® LR 3078 auch komplex designte Strukturen erzeugen, wobei selbst kleinste Details in hoher Präzision reproduziert werden. Damit kommt die neue Produktreihe dem Trend zur Bauteil-Miniaturisierung entgegen.

Wegen der begrenzten Wärmeformbeständigkeit der thermoplastischen Hartkomponente werden Polycarbonat-Silicon-Verbunde ungetempert eingesetzt, also ohne thermische Nachbehandlung – das Polycarbonat würde der Hitzebelastung nicht standhalten. „Mit unserem Formulierungskonzept haben wir erreicht, dass die Materialien der ELASTOSIL^® LR 3078-Reihe bereits im ungetemperten Zustand sehr gute mechanische Eigenschaften aufweisen“, unterstreicht WACKER-Entwickler Dr. Florian Liesener.

So zeichnen sich die ungetemperten Vulkanisate der neuen Silicontypen durch niedrige Druckverformungsreste aus. Ist der Druckverformungsrest niedrig, hat das Elastomer ein hohes elastisches Rückstellvermögen. Ohne dass die Vulkanisate getempert werden, erreichen sämtliche Typen der Reihe ELASTOSIL^® LR 3078 Druckverformungsreste deutlich unter 20 Prozent, ermittelt nach einer 22-stündigen Lagerung bei 125 °C im komprimierten Zustand. Dies sind sehr niedrige Werte. Dichtelemente aus den neuen Siliconen bleiben also lange funktionstüchtig.

Die Vulkanisate von ELASTOSIL^® LR 3078 sind biokompatibel gemäß ausgewählter Tests nach DIN ISO 10993 und der United States Pharmacopeia (USP) Class VI. Bei der Prüfung gemäß DIN ISO 10993 wurden die Materialien hinsichtlich ihrer Zytotoxizität, Pyrogenität und Sensibilisierung untersucht. Die Prüfung nach USP Kapitel <88> Class VI umfasste Tests zur akuten systemischen und intrakutanen Toxizität und zur Kurzzeit-Implantation. Darüber hinaus kommt die neue Selbsthaftungstechnologie völlig ohne den Einsatz von Bisphenol-A-haltigen Strukturen aus. Mit dem Verzicht auf diese Substanzklasse erhöht der Münchner Chemiekonzern die Arbeitssicherheit bei Herstellung und Verarbeitung der Siliconkautschuke und trägt zum Verbraucherschutz bei.

Auch sind die Vulkanisate und die mit ELASTOSIL^® LR 3078 hergestellten Polycarbonat-Silicon-Verbunde, sofern diese mit dafür geeigneten Polycarbonattypen hergestellt werden, dampfsterilisierbar: Selbst nach 100 Sterilisationszyklen mit 134 °C heißem Dampf bleiben die mechanischen Eigenschaften des Silicons nahezu unverändert.

Auch die Haftungsperformance auf Apec^® 1745 bleibt nach den 100 Zyklen (5 Minuten bei 134 °C) gut. So zeigt sich zum Beispiel für ELASTOSIL^® LR 3078/40 nur eine leichte Verringerung der Trennkraftwerte nach mehr als zehn Sterilisationszyklen. Und obwohl sich das Rissbild ab 50 Zyklen zu einem adhäsiven Bruch ändert, bleiben die Trennkraftwerte mit 10 Newton pro Millimeter auch nach 50 beziehungsweise 100 Zyklen hoch.

„Ein mit ELASTOSIL^® LR 3078 erzeugter chemischer Verbund mit Polycarbonat lässt den Produktentwicklern beim Bauteildesign deutlich mehr Freiheiten als die altbekannte mechanische Verbindungstechnologie mit Hinterschnitten oder Durchbrüchen“, betont Laborleiter Dr. Florian Liesener. Darüber hinaus entstünden bei einem chemischen Verbund keine Zwischenräume zwischen Hart- und Weichkomponente, in denen sich Verschmutzungen sammeln oder Bakterien und Schimmelpilze ansiedeln könnten.