trwałe, skuteczne i elastyczne uszczelniacze silikonowe

TRWAŁE, SKUTECZNE I ELASTYCZNE USZCZELNIACZE SILIKONOWE
Tomasz M. Majka, Marcin Majka
Politechnika Krakowska, Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Tarnowie
Streszczenie
Jednym ze sposobów podziału polimerów jest rozróżnienie na takie, w których łańcuch główny składa
się wyłącznie z atomów węgla oraz na polimery heterołańcuchowe, które oprócz atomu węgla w łańcuchu głównym posiadają atomy innych pierwiastków. Chemiczne związki krzemoorganiczne, posiadają w swojej strukturze atomy krzemu, które mogą być połączone wiązaniami kowalencyjnymi
z atomami krzemu, tlenu, węgla, azotu lub siarki tworząc grupę związków o specyficznych właściwościach fizykochemicznych. Wśród nich wyróżniamy silany, alkilosilany, arylosilany, siloksany, silazany
oraz silotiany. W tym artykule przybliżymy związki najbliższe nam w codziennym życiu oraz odgrywające obecnie największe znaczenie, czyli siloksany.
1. Budowa polisiloksanów
Liniowe bądź cykliczne siloksany poddane polimeryzacji tworzą polimery heterołańcuchowe zwane
polisiloksanami lub potocznie silikonami. Łańcuch główny polisiloksanów jest giętki, dzięki jego specyficznej strukturze (Rysunek 1). Ta specyfika objawia się względnie długimi wiązaniami Si-O wynoszącymi około 1,64Å oraz Si-C wynoszącymi blisko 1,88Å1.
1
W. Noll, Chemistry and Technology of Silicones, Academic Press, New York 1968.
www.think.wsiz.rzeszow.pl, ISSN 2082-1107, Nr 1 (13) 2013, s. 60-66
Trwałe, skuteczne i elastyczne uszczelniacze silikonowe
Rysunek 1. Przykład łańcucha polisiloksanowego.
Sprawia to, że wszelkie utrudnienia w rotacji wokół wiązań łańcucha są zminimalizowane. Również
sprzyja to przemiennemu rozmieszczeniu atomów krzemu i tlenu w łańcuchu, co prowadzi do dostosowania konformacji łańcucha do warunków otoczenia. Dodatkowo nieorganiczny łańcuch o silnie
polarnych wiązaniach Si-O oraz niepolarne grupy organiczne połączone z atomem krzemu nadają
polisiloksanom amfifilowy charakter, wywierający wpływ na ich właściwości powierzchniowe. Polisiloksany cechują się dobrą rozpuszczalnością i przepuszczalnością par oraz gazów. Dzięki swojej dwojakiej naturze charakteryzują się także szybką dyfuzją na granicy faz, na której przybierają konformację odpowiadającą minimalnej energii swobodnej powierzchni, co daje możliwość tworzenia na niej
cienkiej, silnie przylegającej warstwy2.
2. Metoda wytwarzania
Silikony otrzymuje się najczęściej z metylotrichlorosilanu, dimetylodichlorosilanu, metylofenylodichlorosilanu, difenylodichlorosilanu lub fenylotrichlorosilanu (Rysunek 2). Te monomery są otrzymywane w skali światowej trzema metodami, tzn. metodą Grignarda, metodą bezpośrednią poprzez
reakcję krzemu z chlorkiem alkilowym lub metodą addycyjną3.
2
3
W. Noll, Chemistry and Technology of Silicones, Academic Press, New York 1968.
E. G. Rochow, An Introduction to Chemistry of Silicones, Wiley-Interscience, New York 1951.
61
Trwałe, skuteczne i elastyczne uszczelniacze silikonowe
Rysunek 2. Monomery, z których otrzymuje się polisiloksany:
A) metylotrichlorosilan; B) dimetylodichlorosilan; C) fenylotrichlorosilan;
D) metylofenylodichlorosilan; E) difenylodichlorosilan.
A Cl Cl
H3C
B
Cl Cl
H3C
Si
Si
Si Cl
CH3
Cl
D
Cl
C
Cl E
Cl
Cl Cl
Si
Si CH3
Cl
Monomery otrzymane jedną z trzech wymienionych metod poddaje się hydrolizie z nadmiarem wody
w zakresie temperatur od 10C do 90C w rozpuszczalnikach organicznych np. estrach i ketonach.
Podczas pierwszego etapu reakcji polikondensacji wydziela się chlorowodór, który katalizuje polimeryzację kondensacyjną powstających silanoli na małocząsteczkowe siloksanole. Temperatura prowadzenia reakcji, stężenie chlorowodoru oraz ilość rozpuszczalnika mają ogromny wpływ na przebieg
reakcji oraz budowę siloksanoli. Następnie roztwór polisiloksanoli poddaje się płukaniu w łaźni wodnej oraz zobojętnia i kolejno zatęża przed dalszą polikondensacją. W drugim etapie polikondensacji
w zależności od aparatury albo podwyższa się temperaturę od 100C do 150C prowadząc proces
z barbotażem powietrza lub w niższych temperaturach dodaje się katalizatorów cynkowych, kwasowych, zasadowych i aminowych, w zależności od przeznaczenia otrzymanego produktu. Podczas polimeryzacji kondensacyjnej siloksanów równolegle prowadzi się ich modyfikację, w celu osiągnięcia
odpowiednich właściwości użytkowych. Takie modyfikacje mogą dotyczyć zmiany podstawników przy
atomie krzemu, regulowania masy cząsteczkowej, a także zmiany barwy, gęstości i innych parametrów poprzez dodatek różnych substancji chemicznych, w tym barwników i środków grzybobójczych.
Regulację masy cząsteczkowej oraz jego rozkładu z powodzeniem realizuje się przeprowadzając polimeryzację z otwarciem pierścienia cyklicznych siloksanów prowadzonej w obecności inicjatorów
anionowych.
62
Trwałe, skuteczne i elastyczne uszczelniacze silikonowe
Rysunek 3. Schemat reakcji polimeryzacji kondensacyjnej siloksanów, gdzie: R oraz R 1 – reszta węglowodorowa.
R
R
n HO
Si
OH
+
R
n HO
1
Si
R1
R
R
OH
H
Si
R
O
1
OH
+ n H2O
Si
R1
n
Niekiedy polisiloksany modyfikuje się żywicami alkilowymi, mocznikowymi lub fenolowymi. Dodaje
się również przyspieszaczy schnięcia preparatu np. naftenianów pierwiastków z grup 7, 8 i 9 układu
okresowego pierwiastków. Proces kończy się w chwili uzyskania odpowiednich właściwości silikonu
oraz usunięciu katalizatora. Otrzymane elastyczne kity posiadają konsystencję masy klejącouszczelniającej4,5.
3. Podział silikonów
Silikony są wykorzystywane wewnątrz i na zewnątrz pomieszczeń budynków. Stosuje się dwie odmiany tego preparatu: obojętną i kwaśną. Te pierwsze zachowują podczas utwardzania odczyn obojętny,
zatem śmiało można je stosować do uszczelniania materiałów wrażliwych na kwasy, takich jak kamień naturalny. Nie powodują one korozji metali oraz znakomicie przylegają do materiałów gładkich.
Cechują się one również dobrą adhezją do betonu i mniejszym skurczem niż silikony kwaśne. Polisiloksany octanowe, wydzielają podczas nakładania i utwardzania zapach kwasu octowego. Mogą przyczynić się do korozji materiałów metalowych6. Wykazują niską adhezję do podłoży o przeciwnym
odczynie, takich jak beton czy tworzywo sztuczne. Producenci silikonów dzielą te masy na cztery podstawowe grupy:

silikony uniwersalne neutralne, do uszczelniania materiałów wykonanych z tworzyw sztucznych
jak poli(metakrylan metylu) lub poli(chlorek winylu), a także do betonu, szkła i kamienia naturalnego,

silikony uniwersalne, kwaśne, budowlane, do wszechstronnego zastosowania. Są to jedne z najtańszych silikonów gorszej jakości,

silikony sanitarne z dodatkiem środków grzybobójczych, do uszczelniania miejsc narażonych na
długotrwałe działanie wilgoci. Występują również w dwóch odmianach: neutralnej oraz kwaśnej,
przy czym te pierwsze przez lepszą jakości są droższe i mniej popularne,

silikony specjalne:
4
P. Rościszewski, M. Zielecka, Silikony, właściwości i zastosowanie, WNT, Warszawa 2002.
P. Rościszewski, Zastosowanie silikonów, WNT, Warszawa 1964.
6
J. M. Ziegler, F. W. Fearon, Silicon-Based Polymer Science, American Chemical Society, Washington 1989.
5
63
Trwałe, skuteczne i elastyczne uszczelniacze silikonowe

do uszczelniania akwariów o zwiększonej wytrzymałości mechanicznej i najwyższym stopniu
czystości,

szklarskie o dobrej adhezji do szkła i powierzchni gładkich,

wysokotemperaturowe zawierające dodatki zwiększające odporność na wysoką temperaturę.
Niektóre preparaty silikonowe można stosować zamiennie, jednak należy pamiętać o regule, że jeśli
nie wiadomo jakiego silikonu użyć do robót budowlanych to bezpieczniej jest wybrać rodzaj neutralny7,8.
4. Zastosowanie silikonów
Silikony są stosowane do uszczelniania fug, spoin w pomieszczeniach sanitarnych w kombinacji ze
szkłem, malowanym drewnem, materiałami drewnopochodnymi, ceramiką szklaną i budowlaną, stalą
nierdzewną, a także z wszelkimi podłożami glazurowanymi i emaliowanymi. Szczególnie uszczelnia się
obrzeża wanien, brodzików, kabin prysznicowych, umywalek i zlewozmywaków, a także muszle
i miejsca zetknięcia okien z betonem. Wypełnia się nimi również szczeliny na blatach kuchennych
oraz fuguje rogi płytek ceramicznych9.
5. Metoda uszczelniania obiektów sanitarnych
Przed przystąpieniem do prac uszczelniających należy odpowiednio przygotować podłoże, na które
będzie nanoszony preparat. Podłoże musi być czyste, nośne, stabilne, suche i odtłuszczone, bez resztek starych spoin. Należy pamiętać, aby przed uszczelnieniem styków wanien, brodzików itp. ze ścianą lub płytkami, te przedmioty obciążyć np. poprzez napełnienie ich wodą. Spoina zaaplikowana
w takich warunkach będzie trwalsza i mniej narażona na naprężenia, które mogłyby spowodować
zniszczenie uszczelnienia. Resztki starego silikonu po starych spoinach, należy wpierw zmiękczyć preparatem do usuwania silikonu, a następnie usunąć plastikową szpatułką i zmyć wodą. Jeśli warstwa
silikonu jest dość gruba i trudno odchodzi z powierzchni to należy najpierw użyć ostrego noża lub
specjalnego zdzieraka do fug. Jednak należy to zrobić ze szczególną ostrożnością, aby nie uszkodzić
płytek ceramicznych oraz nie porysować emaliowanych lub arylowanych wanien i brodzików. Po usunięciu silikonu powstają szczelinę oczyszcza się z resztek zaschniętego mydła i kamienia. Powierzchnię odtłuszcza się używając specjalnych rozpuszczalników organicznych. Zanim ponownie wypełni się
przestrzeń między powierzchniami najlepiej przykleić w pewnej odległości taśmę malarską. Zabezpieczy ona powierzchnie przed zabrudzeniem silikonem oraz wyznaczy krawędzie wypełnienia. Taśmę
usuwa się natychmiast po nałożeniu i wygładzeniu wypełnienia. Czystą i suchą szczelinę wypełnia się
silikonem sanitarnym.
7
P. Rościszewski, M. Zielecka, Silikony, właściwości i zastosowanie, WNT, Warszawa 2002.
J. M. Ziegler, F. W. Fearon, Silicon-Based Polymer Science, American Chemical Society, Washington 1989.
9
P. Rościszewski, Zastosowanie silikonów, WNT, Warszawa 1964.
8
64
Trwałe, skuteczne i elastyczne uszczelniacze silikonowe
Kit wyciska się z tuby przy pomocy pistoletów ręcznych lub pneumatycznych. W tym celu zdejmuje
się nosek i nacina końcówkę tuby. Ponownie nakręca nosek i obcina jego wierzchołek pod kątem, na
szerokość odpowiadającą szerokości wypełnienia. Silikon należy wyciskać równomiernie wypełniając
szczelinę jednym pociągnięciem ruchu ręki i z niewielkim nadmiarem preparatu. Zalecana temperatura pracy mieści się w zakresie od 5°C do 35°C. Naniesione wypełnienie zwilża się wodą z dodatkiem
mydła lub płynu do mycia naczyń, a następnie profiluje zdecydowanym, ciągłym ruchem palca lub za
pomocą specjalnej szpachelki albo końcówki pisaka. Przy formowaniu spoiny o delikatnie wklęsłym
kształcie usuwa się jednocześnie nadmiar silikonu. Spoina powinna mieć kształt umożliwiający swobodne ściekanie wody. Jeżeli spoina została niedostatecznie wypełniona, zaraz po ułożeniu można ją
uzupełnić tym samym typem silikonu. Usuwanie zabrudzeń ze świeżego silikonu jest dosyć kłopotliwe, ponieważ łatwo można przy tej operacji rozmazać świeżą warstwę na jeszcze większej powierzchni. Utwardzenie 2-milimetrowej grubości warstwy silikonu wymaga 24 godzin i dopiero wtedy
do zabrudzeń można zastosować specjalny preparat, który ułatwia usuwanie starych silikonów10,11.
6. Najczęstsze błędy popełniane podczas uszczelniania
Najczęstsze błędy są spowodowane najczęściej nieodpowiednim doborem silikonu do miejsca,
w którym będzie użyty. Równie często kit umieszczany w spoinie ma niewłaściwy kształt, przez co nie
spełnia swoich funkcji i w efekcie uszczelnienie należy układać na nowo. Gdy spoina jest zbyt szeroka
i dodatkowo znajduje się w szczelinie, w której brzegi się rozsuwają następuje jej częste odspojenie
lub zapadanie się uszczelnienia i wydłużenie czasu utwardzenia. Woda wypłukuje zawarte w silikonie
środki grzybobójcze, a długotrwałe utrzymywanie się wilgoci ułatwia rozwój pleśni. Zatem szczelina
nie powinna być szersza niż 30 mm, a zaleca się nadawać jej szerokość do 15 mm. Głębokość szczeliny powinna być regulowana za pomocą sznura dylatacyjnego z polietylenu, tak by zachować następujące proporcje szerokości i głębokości spoin: wąskich do 15 mm – 1:1; oraz szerokich ponad 15 mm –
2:1. Zastosowanie silikonu kwaśnego wokół blatu marmurowego czy granitowego może powodować
trwałe przebarwienia oraz odspojenia od brodzika lub wanny. Użycie silikonu uniwersalnego w pomieszczeniach mokrych oraz źle wentylowanych przyczynia się do powstania pleśni, zwłaszcza gdy
uszczelnienie zostało niestarannie wykończone i zatrzymuje wodę. Ważnym punktem jest to, że nie
stosuje się podziału silikonów ze względu na wykorzystanie ich na zewnątrz oraz wewnątrz pomieszczeń, dlatego że po utwardzeniu wszystkie silikony są odporne na temperaturę w przedziale od minus
60 do 200°C, a te specjalne, wysokotemperaturowe zwiększają zakres stosowania nawet do
350°C12,13.
10
P. Rościszewski, M. Zielecka, Silikony, właściwości i zastosowanie, WNT, Warszawa 2002.
W. Noll, Chemistry and Technology of Silicones, Academic Press, New York 1968.
12
P. Rościszewski, Zastosowanie silikonów, WNT, Warszawa 1964.
13
P. Rościszewski, M. Zielecka, Silikony, właściwości i zastosowanie, WNT, Warszawa 2002.
11
65
Trwałe, skuteczne i elastyczne uszczelniacze silikonowe
Podsumowanie
Poruszony tutaj temat uszczelniających mas silikonowych to tylko jedna z wielu licznych możliwości
zastosowania polisiloksanów. Posiadają one oprócz własności hydrofobowych również właściwości
termoizolacyjne oraz dobrą odporność chemiczną, dzięki czemu z powodzeniem znajdują również
zastosowanie w elektrotechnice, elektronice, radiotechnice, energetyce, górnictwie, przemyśle chemicznym i farmaceutycznym, przemyśle gumowym, medycynie oraz chirurgii plastycznej, a także jako
komponent do wyrobu farb i lakierów.
Bibliografia
1. P. Rościszewski, M. Zielecka, Silikony, właściwości i zastosowanie, WNT, Warszawa 2002.
2. W. Noll, Chemistry and Technology of Silicones, Academic Press, New York 1968.
3. P. Rościszewski, Zastosowanie silikonów, WNT, Warszawa 1964.
4. J. M. Ziegler, F. W. Fearon, Silicon-Based Polymer Science, American Chemical Society, Washington 1989.
5. E. G. Rochow, An Introduction to Chemistry of Silicones, Wiley-Interscience, New York 1951.
66