Effecten van omgekeerde rollen van de crosslinker op de eigenschappen van hydrosilylatie-geëxposeerde silicone-elastomeren

Waarom deze studie belangrijk is voor alledaagse materialen

Siliconerubbers zijn overal: van telefooncovers en keukengerei tot medische hulpmiddelen en zachte robots. De manier waarop deze materialen chemisch “gezet” worden, kan echter geruisloos bepalen hoe stijf, rekbaar of duurzaam ze zijn. Dit artikel onderzoekt wat er gebeurt als chemici de rollen van twee sleutelingrediënten tijdens het uitharden omwisselen en laat zien hoe die eenvoudige wijziging de interne structuur en prestaties van silicone-elastomeren hervormt.

Twee manieren om siliconenketens aan elkaar te knopen

De onderzoekers richten zich op polydimethylsiloxaan, of PDMS, het werkpaard-silicone dat in veel producten wordt gebruikt omdat het flexibel blijft, hitte en kou verdraagt en vriendelijk is voor weefsel. Om vloeibaar PDMS in rubber te veranderen verbinden kleine moleculen, crosslinkers genaamd, lange polymeerketens tot een netwerk. In het “traditionele” recept dragen de lange ketens vinylgroepen terwijl de crosslinkers reactieve silaan-hydridegroepen dragen. Het team vroeg zich af wat er zou gebeuren als ze deze rollen omkeerden, zodat de lange ketens hydridegroepen dragen en de crosslinkers vinylgroepen, en of dat zou veranderen hoe het netwerk zich vormt en gedraagt.

Inzoomen op de bouwstenen

Met geavanceerde nucleaire magnetische resonantie (NMR)-methoden brachten de auteurs eerst de fijne structuur van de twee crosslinkers in kaart. Ze ontdekten dat de hydride-crosslinker de neiging heeft zijn reactieve groepen in korte blokken langs de keten te clusteren, terwijl de vinyl-crosslinker zijn reactieve groepen meer gelijkmatig afwisselt met niet-reactieve eenheden. Dit subtiele verschil blijkt veel uit te maken. Blockachtige hydride-segmenten bevorderen regio’s met zeer dichte koppeling, terwijl een meer afwisselende vinylindeling een vloeiendere, meer uniforme verdeling van verbindingen stimuleert zodra het netwerk gevormd is.

Hoe uithardsnelheid het interne netwerk vormt

Het team volgde vervolgens hoe elk systeem in de loop van de tijd uitharde met rheologie, die meet hoe een materiaal stroming weerstaat, en in situ NMR, die de werkelijke chemische groepen volgt terwijl ze reageren. Wanneer de hydride-crosslinker wordt gebruikt, verandert het mengsel snel van een vloeistof naar een gel in één stap, zowel bij kamertemperatuur als bij hogere temperaturen. De zeer reactieve hydridegroepen koppelen niet alleen met vinylgroepen op polymeerketens maar beginnen ook onderling te reageren. Dit creëert een dicht netwerk met extra verbindingen en plaatsen van hoge stijfheid. Daarentegen is bij gebruik van de vinyl-crosslinker het uitharden langzamer en verloopt het in fasen. Gedurende enige tijd ligt de platina-katalysator op nabijgelegen vinylgroepen en houdt ze terug, waardoor het systeem geleidelijk dikker wordt voordat het uiteindelijk naar een rubberachtig vaste stof overschakelt.

Wat dit betekent voor zachtheid, rek en uniformiteit

Mechanische tests toonden aan dat hydride-gecrosslinkte elastomeren stijver, sterker en minder opgezwollen in oplosmiddelen zijn—allemaal signalen van een strak verbonden netwerk. Ze bevatten ook minder losse ketens die weggespoeld kunnen worden. Echter, vastestaat-NMR en zwelproeven wezen uit dat dit netwerk heterogener is, met clusters van zware crosslinking. Bij de vinyl-gecrosslinkte elastomeren verschijnt het omgekeerde patroon: het rubber is zachter en rekbaarder, met langere segmenten tussen crosslinks en een meer uniforme interne structuur. Interessant genoeg verhoogt het toevoegen van meer vinyl-crosslinker de stijfheid niet significant zodra alle reactieve uiteinden op de lange ketens zijn gebruikt, terwijl het toevoegen van meer hydride-crosslinker zowel de dichtheid als de uniformiteit van het netwerk blijft veranderen.

Gevolgen voor het ontwerpen van betere silicones

Voor niet-specialisten is de kernboodschap dat “wie wat draagt” in het uithardingsrecept sterk bepaalt zowel hoe snel een silicone uithardt als welk soort intern web het vormt. Wanneer de kleine crosslinker de zeer reactieve hydridegroepen draagt, is het resultaat een stevig, enigszins ongelijkmatig netwerk dat bijsturing toelaat door de hoeveelheid crosslinker te variëren. Als die hydridegroepen naar de lange ketens verplaatst worden en de crosslinker vinylgroepen draagt, vertraagt het uitharden en ontstaat een zachter, gelijkmatiger netwerk waarvan de eigenschappen minder afhankelijk zijn van overschot aan crosslinker. Door deze rolomkering te begrijpen, kunnen fabrikanten beter uithardingssystemen kiezen die óf taaiheid en stijfheid bevorderen óf zachtheid en gelijkmatige rek, afhankelijk van de eisen van toepassingen variërend van kitmiddelen tot flexibele elektronica.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: silicone-elastomeren, PDMS, hydrosilylatie, polymeernetwerken, crosslinking-chemie