Einfluss von Kieselgur und seinen Grundmodifikationen auf das Selbst

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 13691 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In der Studie wurde untersucht, wie sich Kieselgur und seine Modifikationen auf die Selbstklebefähigkeit von Silikon-Haftklebstoffen auswirken. Um eine Klebstoffzusammensetzung für Testzwecke herzustellen, wurden einem handelsüblichen Silikonharz Füllstoffe zugesetzt, aus denen dann neue modifizierte Haftklebebänder hergestellt wurden. Die resultierenden Bänder wurden getestet, um ihre Haftung, Klebrigkeit, Kohäsion bei Raumtemperatur und erhöhter Temperatur, den SAFT-Test (Shear Adhesive Failure Temperature), die Topfzeit (Viskosität) und die Schrumpfung zu bestimmen. Die erhaltenen Ergebnisse wurden mit denen der unmodifizierten Bänder verglichen. Die Tests ergaben eine höhere Wärmebeständigkeit (225 °C) und eine geringere Schrumpfung (0,1 %). Daraus lässt sich schließen, dass Materialien mit einem Wärmewiderstand mit einer leichten Abnahme anderer Parameter erhalten wurden.

Haftklebstoffe (PSA) sind relativ neue Materialien in der Bahnindustrie. Als „ewig lebendige“ viskoelastische Materialien weisen sie bei Raumtemperatur im lösungsmittelfreien Zustand eine dauerhafte Klebrigkeit auf, d. h. sie sind bei leichtem Druck klebrig und wandeln sich nicht von flüssig in fest um. Haftklebebänder gibt es in vielen verschiedenen Formen – doppelseitige Klebebänder unterschiedlicher Stärke mit Träger oder Funktionsschaumkern, selbstklebende Transferbänder, einseitige Klebebänder und Druckfolien. Zusätzlich zu ihren verschiedenen Formen verfügen Haftklebstoffe über unterschiedliche chemische Formulierungen und eignen sich für ein breites Spektrum industrieller Anwendungen. Unter allen Haftklebstoffen sind die drei beliebtesten chemischen Formulierungen erhältlich: Acrylate, Silikone und Gummi1,2,3,4.

Haftklebstoffe auf Silikonbasis werden als Spezialmaterialien bezeichnet. Seit ihrer Einführung im Jahr 1960 haben druckempfindliche Silikonklebstoffe (Si-PSAs) viele Anwendungen gefunden, darunter Klebebänder zum Verkleben von Materialien mit niedriger Oberflächenenergie sowie in der Elektro- und Elektronikindustrie, im Medizin- und Gesundheitswesen sowie in der Automobilindustrie. Hohe Flexibilität der Si-O-Si-Verbindungen in selbstklebenden Silikonklebstoffen, geringe intermolekulare Wechselwirkung, niedrige Oberflächenspannung, ausgezeichnete thermische Stabilität und UV-Transparenz, hervorragende elektrische Eigenschaften, chemische Beständigkeit und Beständigkeit gegenüber Witterungseinflüssen machen diese Klebstoffe relativ besser als andere herkömmliche Haftklebemassen auf Kohlenstoffbasis. Si-PSA mit Methylgruppen und Phenyl werden bei einer Temperatur zwischen 120 und 150 °C mit organischen Peroxiden vernetzt. Die Klebstoffe sind inert und sehr hydrophob und behalten gleichzeitig eine gute Wasserdampfdurchlässigkeit bei. Seit dem Jahr 2000 ist das Interesse an neuen Silikon-Haftklebstoffen gestiegen; insbesondere als medizinische und industrielle Klebebänder. Immer häufiger wird versucht, Klebstoffe zu modifizieren, um die gewünschten Eigenschaften (z. B. thermische Beständigkeit) zu erhöhen. Aufgrund des Fehlens funktioneller Gruppen im Polymer und unserer eigenen Forschungserfahrung werden die fertigen Silikonharze durch Zugabe eines Füllstoffs physikalisch modifiziert, um die thermische Beständigkeit des Klebstoffs zu erhöhen5,6,7,8.

Silikonbänder sind vor allem für ihre Fähigkeit bekannt, an Materialien mit niedriger Oberflächenenergie zu haften und einem sehr breiten Temperaturbereich standzuhalten – von – 40 °C bis über 250 °C. Die grundlegenden Eigenschaften dieser Gruppe von selbstklebenden Materialien sind die Fähigkeit, Klebeverbindungen mit Silikonmaterialien zu bilden, die relative Beständigkeit gegen Schimmel und Pilze (da Silikon „anorganisch“ ist, was bedeutet, dass das Skelett nicht aus Kohlenstoff besteht, ist es hypoallergen Natur). Als Nachteile wird häufig die relativ geringe Verbundfestigkeit mit Nicht-Silikon-Materialien genannt9,10,11.

Forscher arbeiten daran, das Potenzial von Zeolith-Rohstoffen wie Kieselgur durch den Einsatz verschiedener Modifizierungsverfahren deutlich zu steigern. Die Modifizierung ist vor allem wegen des großen Vorkommens und der Eigenschaften solcher Materialien, aber auch wegen der optimierten Ausbeute und niedrigen Kosten von großem Interesse. Modifizierte Zeolithe bieten vielseitige Perspektiven für verschiedene Anwendungen. Die Modifizierung von Zeolithen wird am häufigsten verwendet, um ihre Ionenaustauschkapazität zu erhöhen, ihre Kapazität zu erhöhen und ein selektiveres Material zu erhalten12.

Kieselgur ist ein Material sedimentären Ursprungs. Die Kieselgurablagerungen bestehen hauptsächlich aus einer Ansammlung von Skeletten, die durch die Bildung von Kieselalgen entstanden sind. Die Skelette bestehen aus amorphem, hydratisiertem oder opaleszierendem Siliciumdioxid, bestehen jedoch manchmal teilweise aus Aluminiumoxid. Kieselgur enthält neben Kieselalgenschalen meist auch andere Sedimente wie Ton und feinen Sand13.

Wang, Yang et al. modifizierte die Kieselgur durch einfache alkalische Behandlung. Die rohe Kieselgur wurde 2 Stunden lang unter Rühren bei 90 °C in einer NaOH-Lösung dispergiert. Nach der Abtrennung wurde die modifizierte Kieselgur mehrmals mit Wasser und wasserfreiem Ethanol gewaschen, bis ein pH-Wert nahe neutral erreicht wurde14.

Boriskov et al. modifizierte die Kieselgur mit 1 N Salzsäure und unter Verwendung einer 1 N NaOH-Lösung für 1 Stunde. Die Proben wurden dann wiederholt mit destilliertem Wasser gewaschen und auf pH 7 neutralisiert. Der nächste Schritt war das Trocknen bei Raumtemperatur bis zu einem lufttrockenen Zustand. Die thermische Aktivierung erfolgte durch 3-stündiges Glühen der nativen, vorgewaschenen und gesiebten Kieselgur in einem Muffelofen bei 440–460 °C14.

Xu et al. modifizierte Kieselgur durch KOH durch Mischen in einem Rundkolben mit Rotor bei 60 °C für 24 Stunden, mit einem KOH/Kieselgur-Massenverhältnis von 1:6 bis 1:1. Zum Imprägnieren der trockenen Mischung wurde ein magnetischer Heizrührer verwendet. Anschließend wurde die Probe 4 Stunden lang in einem Muffelofen bei 300 °C bis 700 °C kalziniert15,16.

Kieselgur, Natriumhydroxid und destilliertes Wasser wurden in einem Dreihalskolben gemischt17. Die Kolben wurden mit Stopfen verschlossen, um ein Verdunsten der Lösung zu verhindern. Der Kolben wurde in ein Wasserbad mit fester Temperatur getaucht und das System 3 Stunden lang gerührt. Die resultierende Mischung wurde auf Filterpapier filtriert und dann mit destilliertem Wasser gewaschen, bis in der Lösung keine Natriumionen mehr nachgewiesen werden konnten.

Das Ziel der Arbeit war die Modifizierung selbstklebender Silikonharze mit Füllstoffen, um neue druckempfindliche Silikonklebstoffzusammensetzungen mit erhöhter Wärmebeständigkeit zu erhalten. Füllstoffe unterstützen die Temperaturübertragung durch das Material und erhöhen so den Wärmewiderstand. Aus den hergestellten Zusammensetzungen wurden Selbstklebebänder erhalten. Als Füllstoff zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit wurde Kieselgur ausgewählt; Der Füllstoff wurde ebenfalls alkaligeätzt.

Für die Erstellung dieser Arbeit wurden folgende Materialien verwendet:

Silikonklebstoff von Dow Corning (USA) – Harz DOWSIL™ 7358 (Q2-7358).

Die vernetzende Verbindung war Dichlorbenzoylperoxid – DClBPO (Gelest – USA).

Lösungsmittel war Toluol von Carl Roth (Deutschland).

Als Füllstoff wurde Kieselgur (Kieselgur) aus Nanga (Polen) verwendet.

Laut Herstellerangaben beträgt die Partikelgröße von Kieselgur (Diatomit) bis zu 10 µm. Basierend auf den Tests des Herstellers wurde die chemische Zusammensetzung des Füllstoffs wie folgt angenommen: SiO2 93,0 %; Al2O3 2,0 %; Fe2O3 1,0 %; CaO 0,3 %; Na2O + K2O 2,5 %; MgO 0,5 %; TiO2 0,2 %; P2O5 0,1 %.

Dowsil 7258 ist eine lösungsmittelbasierte Silikon-Haftklebstoffdispersion aus Polydimethylsiloxangummi und -harz (52–58 %) in Toluol/Xylol.

Kieselgurproben wurden mit NaOH- und KOH-Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen von 0,1 M, 0,5 M und 1 M 6 Stunden lang bei 60 °C modifiziert. Zur Modifikation wurden 100 ml der entsprechenden Lösung pro 10 g Probe verwendet. Das Ganze wurde in ein Ultraschallbad gelegt. Die resultierenden Proben wurden zentrifugiert (7000 U/min), mit entionisiertem Wasser auf einen pH-Wert des Filtrats von 7 gewaschen und 24 Stunden lang bei 85 °C getrocknet.

Um einseitig selbstklebendes Klebeband herzustellen, wurde das handelsübliche Harz mit 1,5 Gew.-Teilen Vernetzungsmittel behandelt. für 100 Gewichtsteile Harz. Dann 0,1; 0,5, 1,0 oder 3,0 Gew.-% Füllstoff wurden zu einem modifizierten Harz hinzugefügt und gemischt, bis eine homogene Zusammensetzung erhalten wurde. Die erhaltenen Zusammensetzungen wurden mit einem halbautomatischen PSAT-Beschichter auf eine 50 μm dicke Polyesterfolie aufgetragen. Die auf diese Weise beschichtete Zusammensetzung wurde zur Lösungsmittelverdampfung und thermischen Vernetzung 10 Minuten lang bei einer Temperatur von 110 °C in einen Binder-Trockner (Binder GmbH, Deutschland) gegeben. Der erhaltene Klebefilm mit einem Gewicht von 45 g/m2 wurde mit einer weiteren Schicht Polyesterfolie befestigt.

Die FTIR-Spektren wurden mit einem Nicolet 380-Spektrometer der Thermo Electron Corporation (Waltham, MA, USA) erstellt. In der Studie wurde der ATR-Aufsatz mit einem Diamantkristall verwendet. Der Messbereich reichte von 4000–400 cm−1 bei einer Auflösung von 4 cm−1.

Die XRD der modifizierten Kieselgur wurde mit einem Empyrean PANalytical Röntgendiffraktometer (Malvern, UK) mit einer Cu-Lampe als Strahlungsquelle im 2θ 10–100°-Bereich mit einer Schrittgröße von 0,026 erhalten.

Als Topfzeit wird der Zeitraum bezeichnet, in dem eine bestimmte Zusammensetzung problemlos beschichtet werden kann. Nach einer längeren Lagerzeit der Zusammensetzung (hauptsächlich nach Zugabe des Vernetzers) steigt die Viskosität der Zusammensetzung bis zum sogenannten Gelpunkt18. Die Tests wurden mit einem Brookfield-Viskosimeter bei Raumtemperatur in regelmäßigen Abständen unmittelbar nach dem Mischen bzw. nach 1, 2, 3, 5, 7 Tagen durchgeführt. Die Topfzeit wurde mit einem DV-II Pro Extra-Viskosimeter (Brookfield, New York, NY, USA) bestimmt.

Mit einem Lösungsmittelanalysator (Radwag MAX 60/NP, Radom, Polen) wurde der Feststoffgehalt des Ausgangsklebstoffs gemessen. Die Messung wurde in Aluminiumtiegeln bei 140 °C für 40 Minuten durchgeführt. Das Flächengewicht des Klebefilms wurde mit einem runden Stempel mit einer Fläche von 10 cm2 (Karl Schröder KG, Weinheim, Deutschland) gemessen.

Adhäsion ist ein Phänomen der Wechselwirkung von Partikeln, Atomen und Ionen an benachbarten Oberflächen. Das Maß für die Haftung ist die Arbeit pro Flächeneinheit, die verrichtet werden muss, um verklebte Materialien zu lösen19. Der Schälhaftungstest wurde gemäß der Prüfmethode AFERA 4001 auf der Prüfmaschine Zwick-Z010 (Zwick/Roell, Deutschland) durchgeführt. Nach dem Entfernen der Trennfolie wurde die Folie mit einer 2-kg-Rolle auf eine Stahlplatte geklebt. Die Probe wurde 20 Minuten stehen gelassen. Die Schälhaftung wurde für jedes Teststück in einem Winkel von 180° gemessen. Das Ergebnis der Messung ist der Durchschnitt der fünf Messungen20,21.

Kohäsion ist eine Art intermolekularer Wechselwirkung, durch die die Moleküle einer bestimmten Substanz in unmittelbarer Nähe gehalten werden. Das Maß für den Zusammenhalt ist die Arbeit, die erforderlich ist, um einen bestimmten Körper in seine Teile zu trennen, geteilt durch die durch die Trennung entstehende Fläche. Die Kohäsion hängt unter anderem vom Aggregatzustand, der Mikrostruktur des Materials und der Größe der Wechselwirkungen zwischen Molekülen ab. Die Kohäsion wurde gemäß dem AFERA 4012-Standard bei 20 und 70 °C gemessen. Bei dieser Methode wird ein Teil des Streifens mit den Maßen 2,5 cm × 2,5 cm auf die Stahlplatte geklebt und das andere Ende des Streifens mit einem Gewicht von 1 kg belastet. Der Test misst die Zeit, die vergeht, bis sich der Klebefilm von der Fliese löst22.

Die Fähigkeit, zwei Oberflächen schnell und zuverlässig zu verkleben, ist eine wichtige Leistungsanforderung bei vielen druckempfindlichen Klebeprodukten, insbesondere bei Klebebändern und Etiketten. Die Schlüsseleigenschaft für eine erfolgreiche Verklebung ist die Klebrigkeit oder „Klebrigkeit“ des Klebstoffs. Der Klebrigkeitstest wird gemäß der Norm AFERA 4015 durchgeführt. Der Wert der Klebrigkeit ist definiert als die Kraft, die erforderlich ist, um mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit die Schlaufe, die einen Bereich mit einer vorgegebenen Oberfläche berührt, mittels eines Klebstoffs zu trennen23,24.

Die Proben wurden nach dem für die Kohäsionstests beschriebenen Verfahren vorbereitet. An jedem Ende der Probe wurde eine Masse von 1 kg aufgehängt und in den Ofen gestellt. Die Temperatur wurde mit einer Heizrate von 1 °C/min von 22 auf 217 °C erhöht. Die Schadenstemperatur wurde zusammen mit der Art des Klebeschadens angegeben. Für jede Formulierung wurden Tests an 4 Proben durchgeführt, um die mittlere Temperaturbeständigkeit zu bestimmen, und die Standardabweichung wurde als Fehler verwendet23.

Die Schrumpfung wurde mit der Kreuzmethode gemessen, bei der die PVC-Folie mit einer dünnen Klebstoffschicht beschichtet, vernetzt und dann auf eine Metallplatte geklebt wird. Es werden zwei 90°-Schnitte gemacht. Die Messungen werden durchgeführt, indem die Breite der Schnitte in verschiedenen Abständen gemessen wird, wobei die Testtemperatur bei 70 °C gehalten wird. Die Schrumpfung ist ein Prozentsatz des Verhältnisses der Schnittbreiten. Eine Schrumpfung von mehr als 0,5 % ist nicht zulässig20,25.

Zur Modifizierung mit Füllstoffen wurde eine Klebstoffzusammensetzung mit guten funktionellen Eigenschaften ausgewählt. Die Ergebnisse für den Haftklebstoff ohne Modifikation sind in Tabelle 1 dargestellt. Selbstklebebänder ohne Modifikation weisen im SAFT-Test jedoch einen niedrigen Temperaturwert auf, was den Einsatzbereich solcher Klebebänder einschränkt. Gleichzeitig zeichnen sie sich durch eine gute Kohäsion bei Raumtemperatur und erhöhter Temperatur aus. Darüber hinaus sind die Haftungs- und Tackwerte gut. Dies lässt den Schluss zu, dass sich die geplanten physikalischen Modifikationen mit Füllstoffen auf Kieselgurbasis positiv auf die Si-PSA-Anteile auswirken können. Es wurde erwartet, dass dieser Zusatz die thermischen Eigenschaften von Selbstklebebändern verbessern und gleichzeitig die Leistungseigenschaften wie Haftung oder Kohäsion auf dem gleichen Niveau wie bei unmodifizierten Bändern halten würde. Der modifizierte Klebstoff hatte eine Viskosität von 16,7 Pa·s und enthielt 57,6 % Feststoffe (thermogravimetrisch gemessen). Nur der Vernetzer (thermisch) – 1,5 pph Dibenzoylperoxid – wurde hinzugefügt und mit Toluol verdünnt (auf 55 % Feststoffgehalt).

Abbildung 1 zeigt FTIR-Spektren der rohen Kieselgur und der modifizierten Kieselgur. Die Peaks bei 3421, 1631 cm−1 und 960 cm−1, die in allen sieben Proben beobachtet werden, sind typischerweise mit Streckschwingungen der Hydroxylgruppen (–OH) auf der Oberfläche der Proben verbunden. Mit steigenden Konzentrationen von NaOH und KOH nimmt die Intensität des Peaks bei 960 cm1 zu, was durch die Zunahme der Anzahl der OH-Gruppen bestätigt wird. Die Peaks bei 1054, 796 und 451 cm-1 werden auf asymmetrische Streckungs-, symmetrische Streckungs- und Biegemodi der Si-O-Si-Bindungen im Kieselgur zurückgeführt26.

FTIR-Spektren der NaOH- und KOH-Lösungen der rohen Kieselgur und der modifizierten Kieselgur.

Abbildung 2 zeigt die XRD-Muster der rohen Kieselgur und der mit NaOH- und KOH-Lösungen modifizierten Kieselgur. Es wird ein breiter Peak bei etwa 22,5° beobachtet, der mit der amorphen Struktur von SiO2 verbunden ist. Dies sind typische nichtkristalline Beugungspeaks. Das Fehlen anderer Reflexe weist auf eine sehr hohe Reinheit der Kieselgur hin.

XRD der rohen Kieselgur und der mit NaOH- und KOH-Lösungen modifizierten Kieselgur.

Die Abbildungen 3a und b zeigen den Einfluss der Zugabe von Füllstoffen auf Kieselgurbasis auf die Haftung des Klebefilms. Die Diagramme zeigen jeweils Bänder, die mit Füllstoffen modifiziert wurden, die auf Natrium- und Kaliumbasis unterschiedlicher Konzentration geätzt wurden, um das Verhältnis von Silizium zum Rest des Füllstoffs zu verändern. Eine kleine Zugabe des Füllstoffs (0,1 oder 0,5 Gew.-%) erhöhte den Haftungswert im Vergleich zur Zusammensetzung ohne Füllstoff, während bei einer großen Zugabe eine Abnahme festgestellt wurde. Es wird am ähnlichsten durch den Effekt der wünschenswerten und kompakteren Struktur verursacht, die durch das Einbringen geringer Füllstoffmengen verursacht wird, und wenn die Menge erhöht wird, führt es zu einer Verschiebung des kohäsiven-adhäsiven Gleichgewichts in Richtung Kohäsion27,28. Bei jeder Füllstoffmodifikation konnte eine Steigerung des Haftwertes im Vergleich zu mit unmodifizierter Kieselgur modifizierten Filmen beobachtet werden. Der größte Anstieg wurde bei kleinen Füllungen (0,1 oder 0,5 Gew.-%) mit Füllstoffen verzeichnet, die mit 0,1- und 0,5-molaren Lösungen modifiziert wurden. Von den Proben, die mit einem Füllstoffzusatz von 0,5 Gew.-% modifiziert wurden, wurde der höchste Wert der Schälhaftung für mit Kieselgur modifiziertes 0,1 molares NaOH erhalten. − 15,8 N/25 mm. Es wurde auch festgestellt, dass bereits eine geringe Zugabe einer füllstoffmodifizierten 1-molaren Basis eine viel höhere Haftung erreichen kann als im Fall der Verwendung einer füllstoffmodifizierten 0,1-molaren Basis, wo für die KOH-modifizierte Kieselgur höhere Werte durch das geätzte System erzielt wurden mit einer 0,5 molaren Basenlösung.

Auswirkung der Zugabe von Kieselgur auf die Schälhaftung von Silikon-Haftklebstoffen: (a) mit NaOH modifizierte Kieselgur; (b) Kieselgur, modifiziert durch KOH.

Die Klebrigkeit der modifizierten Klebefilme behielt eine ähnliche Tendenz bei wie bei der Adhäsion (Abb. 4). Eine kleine Zugabe von 0,1 Gew.-% des Füllstoffs erhöhte den Klebrigkeitswert im Vergleich zur Zusammensetzung mit dem Füllstoff. Bereits bei Zugabe von 1,0 Gew.% Bei Verwendung von Füllstoffen wurde über eine Verringerung des Klebrigkeitswerts berichtet, der nahe oder unter dem Wert lag, der mit dem unmodifizierten Klebefilm erreicht wurde. Diese Beziehung hängt zum Teil mit der Verschiebung des Kohäsions-Klebe-Gleichgewichts hin zur Kohäsion und der Anordnung des Klebefilms zusammen. Eine systematische Abnahme des Klebrigkeitswerts nach seiner Erhöhung kann auch durch das Auftreten von Leimblockaden (Partikel des Füllstoffs, die nicht mit der Klebeschicht bedeckt sind) auf der Oberfläche des Klebematerials verursacht werden, wodurch der Klebrigkeitswert automatisch sinkt27. 28,29.

Auswirkung der Kieselgurzugabe auf die Klebrigkeit von Silikon-Haftklebstoffen: (a) mit NaOH modifizierte Kieselgur; (b) Kieselgur, modifiziert durch KOH.

Es wurde kein Einfluss des Füllstoffzusatzes oder seiner grundlegenden Modifikation auf die Kohäsionseigenschaften der Klebstoffzusammensetzung beobachtet. Sowohl bei NaOH als auch bei KOH zeigten alle getesteten Proben einen hohen Kohäsionswiderstand von über 72 Stunden bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen. Die Testergebnisse sind in den Abbildungen dargestellt. 5 und 6. Dieser Effekt bestätigt die gute Verträglichkeit der Füllstoffe mit dem Silikonharz; und in Kombination mit den Ergebnissen der Adhäsion und Klebrigkeit wird eine bessere Anordnung der Polymerketten und eine kompaktere Struktur des Klebefilms durch die Zugabe des Füllstoffs bestätigt27,28.

Auswirkung der Zugabe von Kieselgur auf die Kohäsion von druckempfindlichen Silikonklebstoffen. Messung bei Raumtemperatur: (a) mit NaOH modifizierte Kieselgur; (b) Kieselgur, modifiziert durch KOH.

Auswirkung der Zugabe von Kieselgur auf die Kohäsion von Silikon-Haftklebstoffen. Messung bei 70 °C: (a) Kieselgur, modifiziert durch NaOH; (b) Kieselgur, modifiziert durch KOH.

Die erhaltenen neuen Klebebänder wurden mittels SAFT-Test getestet, um ihre thermische Beständigkeit zu bestimmen und sie mit unmodifizierten Bändern zu vergleichen; Die Ergebnisse sind in Abb. 7 dargestellt. Die Zugabe von Füllstoffen erhöhte die Wärmebeständigkeit der getesteten Klebstoffzusammensetzungen, zusammen mit der Erhöhung des Additivs erhöhte sich die Temperaturbeständigkeit jedes Mal und erreichte die Testgrenze von 225 °C im Bereich von 0,5 bis 1,0 Gew.-% des Additivs. Bei mit NaOH- und KOH-Basen geätzten Proben wurde dieser Wert bereits bei 0,1 Gewichtsprozent erreicht. Bei 3 Gew.-% des Additivs war ein Absinken der maximalen Betriebstemperatur zu beobachten, jedoch nicht unter den Wert der Proben ohne Füllstoffe. Das Ätzen von Proben mit Basen verbessert ihre Kompatibilität mit Silikonharz und erhöht dessen thermische Beständigkeit. Dies kann mit der Zunahme der Siliziummasse in den gebeizten Füllstoffen im Vergleich zum Rest des Füllstoffs zusammenhängen28,29,30. Füllstoffe unterstützen die Temperaturübertragung durch das Material und erhöhen so den Wärmewiderstand31.

Auswirkung der Kieselgur-Zugabe auf den Wärmewiderstand im SAFT-Test von Silikon-Haftklebstoffen: (a) mit NaOH modifizierte Kieselgur; (b) Kieselgur, modifiziert durch KOH.

In jedem Testfall stieg die Viskosität der Proben schnell an, um ein Gel zu bilden – die Proben verdoppelten ihre Viskosität oder erreichten die maximale Viskosität, die die Verwendung der Klebstoffzusammensetzung für die 74-Pa-s-Beschichtung ermöglichte; im ersten Fall hatten sich die Proben nach ca. 7 Tagen am Rand des Gels abgesetzt, im zweiten Fall wurde das Maximum bei Proben mit Zusatz von 3 Gew.-% alkalimodifiziertem Füllstoff unabhängig von der Molzahl erreicht Konzentration, die zu seiner Modifikation verwendet wird. Im Vergleich zu reinen Klebstoffzusammensetzungen wirkte sich die Zugabe von Kieselgur selbst bei der höchsten getesteten Additivmenge leicht auf die Viskosität aus. Untersuchungen haben außerdem gezeigt, dass sich bei der Modifizierung durch Verwendung von Base die Abstände zwischen den einzelnen Kurven im Diagramm mit der Menge vergrößern Füllmenge hinzugefügt. Eine geringfügige Zugabe von 0,1 Gewichtsprozent des modifizierten Füllstoffs erhöht die Viskosität im Vergleich zur Viskosität der Zusammensetzung bei Zugabe des unmodifizierten Füllstoffs um das Doppelte. Der Unterschied zwischen der Zugabe des modifizierten Füllstoffs 0,1, 0,5 und 1,0 ist relativ gering und schwankt um einen zweifachen Anstieg der Viskosität, während bei der Zugabe von 3 Gew.-% des Füllstoffs ein etwa vierfacher Anstieg der Viskosität festgestellt wurde – Abb. 8. Nach der Modifikation mit der Basis NaOH und KOH gab es keine besonderen Unterschiede. Eine Schlüsselrolle spielen OH-Gruppen, die durch OH-π-Wechselwirkungen dazu führen, dass die Kohlenstoffatome der Benzolgruppe Hydroxylprotonen anziehen. Ein erhöhter Gehalt an OH-Gruppen im modifizierten Füllstoff erhöht die Viskosität deutlich32.

Auswirkung der Zugabe von Kieselgur auf die Viskosität von Silikon-Haftklebstoffen: (a) Kieselgur; (b) Kieselgur, modifiziert mit 0,1 NaOH; (c) Kieselgur, modifiziert mit 0,5 NaOH; (d) Kieselgur, modifiziert mit 1,0 NaOH; (e) Kieselgur, modifiziert mit 0,1 KOH; (f) Kieselgur, modifiziert mit 0,5 KOH; (g) Kieselgur, modifiziert mit 1,0 KOH.

Abbildung 9 zeigt den Einfluss von Kieselgur und seinen alkalischen Modifikationen auf den Schrumpfwert von druckempfindlichen Silikonklebstoffen. Die Einarbeitung eines Füllstoffs in die Zusammensetzung führte zu einer drastischen Verringerung des Schrumpfwertes im Vergleich zu einer Klebstoffzusammensetzung ohne Füllstoffe. Je geringer die Füllstoffzugabe war, desto kleiner war die Haut der untersuchten Proben, die besten Ergebnisse wurden bei Füllungen von 0,1 bis 0,5 Gew.-% erzielt. Dies war höchstwahrscheinlich auf eine bessere Ausrichtung der Polymerketten und eine kompaktere Struktur zurückzuführen, die die Schrumpfung des Klebefilms verbesserte28,33. Durch die Modifizierung von Kieselgur mit Basen konnten niedrigere Schrumpfwerte für jeden Füllgrad der Klebstoffzusammensetzungen erzielt werden. Die Forschung zeigte, dass die Materialien, die mit den höchsten molaren Konzentrationen behandelt wurden, die besten Ergebnisse lieferten. Die wahrscheinlichste Verringerung der Schrumpfung war in diesem Fall auf die Erhöhung des Siliziumanteils in der Füllstoffmasse und die möglichen Veränderungen ihrer Struktur durch die Einwirkung von Basen zurückzuführen29.

Auswirkung der Zugabe von Kieselgur auf die Schrumpfung von Silikon-Haftklebstoffen: (a) Kieselgur, modifiziert mit 0,1 NaOH; (b) Kieselgur, modifiziert mit 0,5 NaOH; (c) Kieselgur, modifiziert mit 1,0 NaOH; (d) Kieselgur, modifiziert mit 0,1 KOH; (e) Kieselgur, modifiziert mit 0,5 KOH; (f) Kieselgur, modifiziert mit 1,0 KOH, (g) Kieselgur.

Die Forschung hat zu Selbstklebebändern mit verbesserten Eigenschaften im Vergleich zum Ausgangsklebstoff geführt. Beim thermischen Widerstand war ein sehr starker Anstieg zu beobachten – die meisten Proben erreichten den Maximalwert: 225 °C. Auch die Schrumpfergebnisse waren außergewöhnlich: Praktisch jede Füllstoffzugabe führte zu einer Verringerung der Schrumpfung. In jedem getesteten Fall wurde ein schneller Anstieg der Viskosität der Proben in die Form eines Gels festgestellt, sodass die erhaltenen Zusammensetzungen nicht zur Lagerung geeignet sind und sofort nach dem Klopfen beschichtet werden müssen. Darüber hinaus behielten die Bänder gute Unterwassereigenschaften wie Haftung, Kohäsion und Klebrigkeit bei, was sie verwendbar macht.

Durch das Einbringen von Kieselgur in die Polymermatrix wurden neue Selbstklebebänder mit erhöhter thermischer Beständigkeit erhalten. Durch die zusätzliche Modifikation von Kieselgur mit unterschiedlichen Basen und deren Einführung in Si-PSA wurden die Möglichkeiten zur Herstellung von Bändern mit spezifischen Grenzparametern weiter erweitert, wodurch aus den erzielten Ergebnissen mehrere selbstklebende Produkte mit spezifischen Wärmebeständigkeiten hergestellt werden können.

Überall dort, wo Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Materialausdehnung erforderlich sind, können die gewonnenen Materialien durchaus eingesetzt werden. Die Hauptindustrie, die als Abnehmer der in der Arbeit beschriebenen Produkte in Frage kommt, sind Heizungsanlagen, wo die Bänder zum Abdichten von Rohren verwendet werden könnten. Darüber hinaus können diese Materialien eine interessante Alternative zu Schnellverbindern sein, die insbesondere in der Automobilindustrie verwendet werden da sie in Motoren eingesetzt werden können.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde vom National Center for Research and Development (NCBiR) im Rahmen der LIDER-Initiative finanziert. Projektnummer LIDER/9/0028/L-11/19/NCBR/2020.

Fakultät für chemische Technologie und Ingenieurwesen, Abteilung für chemische organische Technologie und Polymermaterialien, Westpommersche Technische Universität, Stettin, Pulaskiego 10, 70-322, Stettin, Polen

Adrian Krzysztof Antosik, Karolina Mozelewska & Marlena Musik

Fakultät für chemische Technologie und Ingenieurwesen, Abteilung für katalytische und sorbierende Materialien, Westpommersche Technische Universität in Stettin, Piastów Avenue 42, 71-065, Stettin, Polen

Piotr Miądlicki

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Konzeptualisierung. AKA, MM, PM, KM; Methodik. AKA, MM, PMKM; Validierung. AKA; formale Analyse. AKA, KM, PM; Untersuchung. AKA, MM, PM, KM; Datenkuration. AKA, MM; Schreiben – ursprüngliche Entwurfsvorbereitung. AKA, MM, PM, KM; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. AKA, MM, PM, KM.; Aufsicht. AKA; Projektverwaltung. AKA; Finanzierungsakquise. AKA Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Adrian Krzysztof Antosik.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Antosik, AK, Mozelewska, K., Musik, M. et al. Einfluss von Kieselgur und seinen Basismodifikationen auf die selbstklebenden Eigenschaften von Silikonhaftklebstoffen. Sci Rep 13, 13691 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40958-0

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Eingegangen: 07. Februar 2023

Angenommen: 19. August 2023

Veröffentlicht: 22. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40958-0

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