Auswirkungen der Rollenvertauschung von Vernetzern auf die Eigenschaften hydrosilylierend vernetzter Silikonelastomere

Warum diese Studie für Alltagsmaterialien wichtig ist

Silikonkautschuke sind allgegenwärtig – von Handyhüllen und Küchenutensilien bis hin zu Medizinprodukten und weichen Robotern. Dennoch kann die Art und Weise, wie diese Materialien chemisch „eingestellt“ werden, stillschweigend beeinflussen, wie steif, dehnbar oder langlebig sie sind. Dieser Artikel untersucht, was passiert, wenn Chemiker während der Vernetzung die Rollen von zwei Schlüsselkomponenten tauschen, und zeigt, wie diese einfache Änderung die innere Struktur und die Leistungsfähigkeit von Silikonelastomeren neu formt.

Zwei Wege, Silikonketten zu verknüpfen

Die Forschenden konzentrieren sich auf Polydimethylsiloxan, kurz PDMS, das als universelles Silikon in vielen Produkten Verwendung findet, weil es flexibel bleibt, Temperaturwechsel verträgt und biologisch verträglich ist. Um flüssiges PDMS in Gummi zu verwandeln, verbinden kleine Moleküle, sogenannte Vernetzer, lange Polymerketten zu einem Netzwerk. In der „traditionellen" Rezeptur tragen die langen Ketten Vinylgruppen, während die Vernetzer reaktive Silizium‑Hydridgruppen liefern. Das Team fragte, was passiert, wenn diese Rollen vertauscht werden – also wenn die langen Ketten Hydridgruppen tragen und die Vernetzer Vinylgruppen – und ob das die Art und Weise, wie das Netzwerk entsteht und sich verhält, verändert.

Ein Blick in die Bausteine

Mithilfe fortgeschrittener Kernspinresonanz‑Methoden (NMR) kartierten die Autorinnen und Autoren zunächst die Feinstruktur der beiden Vernetzer. Sie fanden heraus, dass der Hydrid‑Vernetzer dazu neigt, seine reaktiven Gruppen in kurzen Blöcken entlang der Kette zu bündeln, während der Vinyl‑Vernetzer seine reaktiven Gruppen gleichmäßiger im Wechsel mit nichtreaktiven Einheiten aufweist. Dieser subtile Unterschied erweist sich als entscheidend. Blockartige Hydridsegmente begünstigen Regionen sehr dichter Vernetzung, während ein wechselnder Vinylaufbau eine gleichmäßigere Abstandverteilung der Verknüpfungen fördert, sobald das Netzwerk ausgebildet ist.

Wie die Aushärtegeschwindigkeit das innere Netzwerk formt

Das Team verfolgte anschließend den Aushärteverlauf beider Systeme über die Zeit mit Rheologie, die misst, wie ein Material dem Fließen widersteht, und mit in situ NMR, die die tatsächlichen chemischen Gruppen während ihrer Reaktion beobachtet. Wird der Hydrid‑Vernetzer verwendet, wandelt sich die Mischung schnell in einem einzigen Schritt von einer Flüssigkeit zu einem Gel, sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhter Temperatur. Die sehr reaktiven Hydridgruppen verbinden sich nicht nur mit Vinylgruppen der Polymerketten, sondern beginnen auch, untereinander zu reagieren. Das erzeugt ein dichtes Netzwerk mit zusätzlichen Verbindungen und Bereichen hoher Steifigkeit. Im Gegensatz dazu verläuft die Vernetzung mit dem Vinyl‑Vernetzer langsamer und stufenweise. Eine Zeit lang sitzt der Platin‑Katalysator an benachbarten Vinylgruppen und hemmt sie, sodass das System zunächst nur langsam eindickt, bevor es schließlich in einen gummiartigen Festkörper übergeht.

Was das für Weichheit, Dehnbarkeit und Gleichmäßigkeit bedeutet

Mechanische Tests zeigten, dass mit Hydrid vernetzte Elastomere steifer, zugfester sind und im Lösungsmittel weniger quellen – alles Hinweise auf ein dichter vernetztes Material. Sie enthalten außerdem weniger lose Ketten, die ausgewaschen werden könnten. Festkörper‑NMR und Quellungsversuche zeigten jedoch, dass dieses Netzwerk heterogener ist und Cluster starker Vernetzung aufweist. Bei den mit Vinyl vernetzten Elastomeren zeigt sich der umgekehrte Trend: Das Gummi ist weicher und dehnbarer, mit längeren Segmenten zwischen den Vernetzungsstellen und einer gleichmäßigeren inneren Struktur. Interessanterweise erhöht die Zugabe von mehr Vinyl‑Vernetzern die Steifigkeit nicht wesentlich, sobald alle reaktiven Enden der langen Ketten verbraucht sind, während die Zugabe von mehr Hydrid‑Vernetzern weiterhin sowohl Dichte als auch Gleichmäßigkeit des Netzwerks verändert.

Folgen für die Entwicklung besserer Silikone

Für Nicht‑Spezialisten lautet die Kernbotschaft: "Wer was trägt" in der Aushärterezeptur bestimmt sowohl die Geschwindigkeit, mit der ein Silikon aushärtet, als auch die Art des inneren Netzes, das sich bildet. Trägt der kleine Vernetzer die sehr reaktiven Hydridgruppen, entsteht ein festes, etwas ungleichmäßiges Netzwerk, das durch die Menge des Vernetzers feinabgestimmt werden kann. Werden diese Hydridgruppen auf die langen Ketten verlagert und übernimmt der Vernetzer die Vinylgruppen, verläuft die Aushärtung langsamer und ergibt ein sanfteres, gleichmäßigeres Netzwerk, dessen Eigenschaften weniger stark von Vernetzermengen abhängen. Durch das Verständnis dieser Rollenvertauschung können Hersteller bessere Aushärtesysteme auswählen, die je nach Anforderung – von Dichtungsmassen bis zu flexibler Elektronik – entweder auf Zähigkeit und Steifigkeit oder auf Weichheit und gleichmäßige Dehnbarkeit ausgelegt sind.

Zitation: Yu, L., Enemark-Rasmussen, K., Madsen, F.B. et al. Effects of crosslinker role reversal on the properties of hydrosilylation-cured silicone elastomers. npj Soft Matter 2, 12 (2026). https://doi.org/10.1038/s44431-026-00023-y

Schlüsselwörter: Silikonelastomere, PDMS, Hydrosilylierung, Polymernetzwerke, Vernetzungschemie