FVMQ Fluorsilikon – Die Vorteile von normalem Silikon ergänzt um Medienresistenz

1. Was ist Fluor-Vinyl-Methyl-Silikon-Kautschuk?

FVMQ ist eine Weiterentwicklung des klassischen Silikons. Durch die Strukturänderung des Kautschuks um eine Fluorgruppe weist Fluorsilikon eine deutlich bessere Öl- und Kraftstoffbeständigkeit auf, wobei die Eigenschaften eines standardmäßigen Silikons erhalten bleiben.

Historie von FVMQ

Durch Frederic Kipping wurde am Anfang des 20. Jahrhunderts der Grundstein für die Entwicklung von Silikonen durch seine intensive Forschung an Organo-Silicium-Verbindungen gelegt, wodurch 1904 der Begriff „Silikon“ eingeführt wurde. Zu dieser Zeit wurden die hergestellten Verbindungen allerdings als unbrauchbar abgetan. Erst ein halbes Jahrhundert später wurde die Bedeutung von Silikon erkannt und anschließend weiterentwickelt. Heute findet man Bauteile aus den verschiedensten Silikonverbindungen in vielfältigen Anwendungen. Basissilikon wurde dabei in verschiedensten Varianten weiterentwickelt und optimiert, wodurch in den frühen 1950er Jahren das fluorierte Pendant FVMQ von Dow Corning erfunden und von diesem als erster Silikonhersteller vertrieben wurde.

Terminologie von Silikonen

Die Bezeichnungen VMQ, MVQ, FVMQ und PVMQ bezeichnen allesamt Silikonkautschuk und unterscheiden sich ausschließlich durch die angebundenen chemischen Seitengruppen.

• VMQ / MVQ: Methyl- und Vinyl-Seitengruppen
• FVMQ: zusätzlich fluorierte Seitengruppen
• PVMQ: zusätzlich phenylhaltige Seitengruppen

Das Q steht in allen Fällen für das identische Siloxan-Rückgrat. Die vorangestellten Buchstaben kennzeichnen, welche organischen Gruppen angebunden sind. Durch die Variation der angeknüpften organischen Gruppen können unterschiedliche Eigenschaften des finalen Elastomers erzielt werden, jedoch ändert sich die grundsätzliche Materialklasse nicht.

Chemische Zusammensetzung von FVMQ

Das Elastomer auf Silikonbasis sticht im Vergleich zu anderen Kautschuken hervor, da es kein rein organischer Werkstoff ist. Silikonpolymere bestehen aus Silizium- (Si), Sauerstoff- (O), Wasserstoff- (H) und Kohlenstoffatomen (C), die durch zwei verschiedene Monomere, ein sogenanntes Copolymer, bestehend aus 2,2,4,4,6,6,8,8-Octamethyl-1,3,5,7,2,4,6,8-Tetraoxatetrasiloktan und 2,4,6,8-Tetramethyl-2,4,6,8-Tetravinyl-1,3,5,7,2,4,6,8-Tetraoxatetrasiloktan, gebildet werden.

Abbildung 1: Chemischer Aufbau von FVMQ: Aus Octamethylcyclotetrasiloxan (links), Methylvinylcyclotetrasiloxan (links mittig) und 3,3,3-Trifluoropropyl Methylsiloxane Cyclic Tetramer (rechts mittig) entsteht durch Polymerisation das FVMQ-Terpolymer (rechts).

FVMQ weist im Gegensatz zu VMQ neben den Methyl- und Vinylgruppen auch Fluoralkylgruppen am Silizium auf. Die eingefügte stark polare, energiereiche Kohlenstoff-Fluor-Bindung führt zu einer geringeren Reaktivität des Polymer-Seitenzweigs und trägt durch ihren hydrophoben Charakter zu einer Abstoßung gegenüber polaren und aromatischen Kohlenwasserstoffen bei. Dadurch werden Quellung und Volumenänderung im Kontakt mit Kraftstoffen minimiert.

2. Eigenschaften und Merkmale von FVMQ

Die Eigenschaften von FVMQ lassen sich in chemische, mechanische und physikalische unterteilen. Dabei bleiben die Eigenschaften des klassischen Silikons erhalten, mit Verbesserung bestimmter Resistenzen gegenüber beispielsweise Kraftstoffen und Ölen.

Physikalische Eigenschaften von FVMQ

Fluorsilikon bietet je nach Formulierung eine der größten Temperaturspannen unter den technischen Silikonen von -65 °C bis +200 °C. Damit ist FVMQ geeignet für Anwendungen mit extremer thermischer Belastung oder stark wechselnden Temperaturen. Weiterhin weist Fluorsilikonkautschuk eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit über einen breiten Temperatur- und Frequenzbereich sowie eine Dichte im typischen Silikonkautschukbereich von etwa 1,2–1,4 g/cm³ auf. FVMQ kann jedoch durch die Zugabe von Ruß oder leitfähigen Partikeln auch elektrisch leitend oder ableitend werden. Zudem ist die Dampf- und Gaspermeation vergleichbar mit der von Standardsilikon, weshalb es sich hervorragend für FVMQ-Dichtungen eignet.

FVMQ weist trotz guter physikalischer Eigenschaften eine begrenzte Kompressionsverformung unter Dauerdruck und bei hohen Temperaturen auf. Dadurch sind für Anwendungen in hoch belasteten Dichtungssystemen andere spezielle FKM-Typen deutlich geeigneter und belastbarer, um eine Funktion ohne Leistungsminimierung zu gewährleisten.

Spezialisierte FVMQ-Werkstoffe mit Flammschutz lassen sich durch Zugabe spezieller Phosphor-, Stickstoff- oder halogenbasierter Additive und Füllstoffe gezielt formulieren. Diese Werkstoffe erfüllen die Brandschutznormen UL94-V0 oder FMVSS 302 unter Erhalt der Kernstärken von FVMQ wie Temperatur- und Medienbeständigkeit, erhöhen aber oft die Viskosität.

Chemische Eigenschaften von FVMQ

FVMQ zeigt eine deutlich verbesserte Beständigkeit gegenüber Mineralölen, Luft- und Kraftfahrzeugölen, Kraftstoffen und vielen aromatischen Kohlenwasserstoffen wie Benzol oder Toluol im Vergleich zu herkömmlichem Silikonkautschuk. Daneben bleiben die hohe Beständigkeit gegenüber Ozon und UV-Strahlung sowie die hohe Witterungsresistenz erhalten. Gegenüber starken Säuren und Laugen zeigt FVMQ eine höhere Stabilität als VMQ, bleibt jedoch in der Regel hinter Fluorkautschuken wie FKM zurück. Die angeknüpften Fluoratome schützen die Polymerkette vor Angriffen anderer Reaktanten wie organischer Lösungsmittel und erhöhen damit die Stabilität und Inertheit des Materials.

Im Gegensatz zu den alternativen Fluorkautschuken wie FKM erreicht FVMQ allerdings nicht die gleiche Stabilität gegenüber sehr aggressiven Säuren, Laugen oder stark oxidierenden Medien, wodurch der Einsatz von FVMQ in diesen Anwendungen eingeschränkt ist.

Da FVMQ auf der gleichen Siloxan-Chemie wie VMQ basiert, ist grundsätzlich eine gute physiologische Verträglichkeit gegeben, jedoch wird FVMQ im Gegensatz zu Standard-Silikon seltener in Medizin- oder Lebensmittelanwendungen eingesetzt. Für einige Spezialqualitäten von FVMQ liegen, wie auch für Standard-Silikon, entsprechende FDA-Konformitäten (21 CFR 177.2600) und umfangreiche Biokompatibilitätsdaten (KTW-/W270, EN 549) vor, weshalb für physiologische Anwendungen diese gezielt freigegebenen Qualitäten gewählt werden müssen.

Mechanische Eigenschaften von FVMQ

FVMQ ähnelt mechanisch dem herkömmlichen Silikonkautschuk: Das weich-elastische Verhalten von FVMQ ergibt sich aus der moderaten bis niedrigen Zugfestigkeit und der hohen Bruchdehnung. Die Abriebs- und Reißfestigkeit ist vergleichbar mit der von VMQ und damit deutlich niedriger als die vieler Kohlenstoff-Wasserstoff-Elastomere wie NBR oder HNBR. Weiterhin sind auch FVMQ-Typen bei tiefen Temperaturen elastisch und zeigen keine spröden Defizite, was das Fluorsilikon besonders für Dichtungsanwendungen bei entsprechender Temperatur und Belastung interessant macht.

Die Härte von FVMQ wird in der Shore-A-Skala angegeben, da es sich um ein weiches Gummi handelt. Dabei liegt der Fluorkautschuk im Bereich von 40 bis 80 Shore A, wobei typische Standardformulierungen zwischen 50 und 70 Shore A liegen. Damit ist Fluorsilikon im Vergleich zu vielen Standard-Elastomeren eher im weichen bis mittelharten Bereich einzuordnen.

Dynamisch stark belastete Anwendungen mit hohem Reibkontakt sind für Bauteile aus FVMQ aufgrund der relativ geringen mechanischen Festigkeit und Abriebbeständigkeit herausfordernd und alternative Elastomere wie NBR, HNBR oder FKM sollten in Erwägung gezogen werden.

3. Verarbeitung von FVMQ

Polymerisation

Zur Synthese von FVMQ wird in einem ersten Syntheseschritt VMQ aus den cyclischen Monomeren 2,2,4,4,6,6,8,8-Octamethyl-1,3,5,7,2,4,6,8-Tetraoxatetrasiloktan und 2,4,6,8-Tetramethyl-2,4,6,8-Tetravinyl-1,3,5,7,2,4,6,8-Tetraoxatetrasiloktan in einer anionischen Ringöffnungspolymerisation hergestellt. In einem zweiten Schritt werden die Methylgruppen durch Trifluorpropylgruppen substituiert, wobei die Vinylgruppen als Vernetzungsstellen erhalten bleiben. Diese Fluorierung erfolgt meist in Lösung mit bestimmten Anteilen an Fluorspezies, wodurch ein Copolymer mit definiertem Fluorgehalt entsteht. Anschließend werden dem Fluorsilikonkautschuk Additive und Füllstoffe zugegeben, um die gewünschten technischen Eigenschaften zu erreichen.

Vulkanisationsverfahren von FVMQ

Die Vulkanisation der FVMQ Elastomere erfolgt meist radikalisch mithilfe von Peroxiden als Radikalstartern und anschließender Versetzung mit Vernetzungsreagenzien wie Triallyl Isocyanurate (TAIC). Die Peroxide zerfallen bei Wärmeeinwirkung in Radikale, die die im Polymer enthaltene Doppelbindung aufbrechen und neue Radikale im Polymer ausbilden. Dort greift dann TAIC an und bildet aufgrund der Trifunktionalität Verbrückungen zwischen den verschiedenen Polymersträngen. Die Verwendung von TAIC als Vulkanisationsmittel verkürzt die Aushärtungszeit des Werkstoffs und verbessert zugleich die Festigkeit sowie die Abriebs- und Korrosionsbeständigkeit.

Abbildung 2: Lineare FVMQ-Polymerketten mit fluorierten Seitengruppen werden unter Peroxideinwirkung aktiviert und anschließend über TAIC zu einem dreidimensionalen siloxanbasierten Elastomernetzwerk vernetzt.

Technische Verarbeitung von FVMQ

Fluorsilikonkautschuk wird sowohl für Hochtemperatur-Silikon (HTV) als auch für Flüssigsilikon (LSR) technisch in klassischen Verarbeitungsverfahren wie Pressformen (Kompression, Transfer), Spritzgießen und Extrusion verarbeitet. Dabei muss eine sorgfältige Prozessführung gewährleistet werden, um Scorch (frühzeitige Vulkanisation) zu vermeiden und zugleich die Vernetzungsdichte für gute mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften zu gewährleisten. Durch gezielte, präzise Prozessführung eignet sich das Material FVMQ für O-Ringe, Dichtungen, Schläuche und Formteile bei Hochtemperatur- und Medienbelastung in diversen Industriezweigen.

4. Materialvergleich – FVMQ vs. anderer Elastomere

Fluorsilikonkautschuk zeichnet sich durch ausgezeichnete Witterungs- und Ozonresistenz und breite Temperaturbeständigkeit aus und kombiniert dies mit einer deutlich verbesserten Beständigkeit gegenüber Kraftstoffen und Ölen. Im Vergleich zu Naturkautschuk (NR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPDM), Butylkautschuk (IIR), Chloroprenkautschuk (CR), Nitrilkautschuk (NBR) und hydriertem Nitrilkautschuk (HNBR) bietet FVMQ einen größeren Temperatureinsatzbereich und eine klare Überlegenheit der Medienbeständigkeit. Für mechanisch anspruchsvolle Anwendungen, insbesondere hinsichtlich Abrieb und Reißfestigkeit, ist FVMQ hingegen weniger robust und bleibt hinter alternativen Kautschuken. FVMQ bietet eine ähnliche Kraftstoffbeständigkeit wie FKM, bleibt aber bei Chemikalien- und Hochtemperaturgrenzen leicht zurück, bietet dafür aber bessere Temperaturflexibilität. Weiterhin zeigt FVMQ typische Silikon-Schwächen im Reißverhalten, wobei FVMQ deutlich unterhalb von NR, SBR, HNBR, oder FKM liegen, sodass FVMQ vor allem für statische oder nur moderat dynamisch beanspruchte Dichtungen geeignet ist. FVMQ schneidet bei Druckverformungsrest bei maximaler Dauertemperatur deutlich günstiger als NR, SBR, IIR, NBR und HNBR ab, die allesamt höhere Werte und damit stärker bleibende Verformungen aufweisen. Bei Raumtemperatur weist FVMQ ebenfalls einen sehr guten Druckverformungsrest und eine geringbleibende Verformung auf und outperformt damit mögliche Alternativen wie IIR, HNBR oder FKM.

Internationales Kurzzeichen		FVMQ	VMQ	SBR	EPDM
Härtebereich (in Shore)		40A–80A	20A–90A	20A–70D	20A–95A
Mechanische Eigenschaften bei Raumtemp.	Reißfestigkeit	1	1	3	3
	Reißdehnung	2	4	3	3
	Rückprall elastizität	1	3	3	3
	Weiterreiß widerstand	1	1	3	3
	Abriebwiderstand	3	3	1	1
Druckverformungs rest	bei max. Dauereinsatz-Temperatur	0	0	1	0
	bei Raumtemperatur	0	0	0	0
Thermisches Verhalten	Kälteverhalten (Tg) bis °C	-65	-50	-45	-50
	Max. Dauereinsatz-Temperatur bis °C	200	220	90	130
Beständigkeit gegen	Benzin	2	2	1	1
	Mineralöl (bei 100 °C)	2	2	1	1
	Säuren (wässrige anorg. Säuren bei RT)	2	2	2	3
	Laugen (wässrige anorg. Laugen bei RT)	2	2	2	3
	Wasser (bei 100 °C, dest.)	2	2	2	3
	Witterung und Ozon	3	3	1	3

Tabelle 1: Vergleich der Eigenschaften von FVMQ mit anderen Kautschuk- und Silikonmaterialien

FVMQ überzeugt besonders dann, wenn ein sehr breiter Temperaturbereich, hervorragende Witterungs- und Ozonbeständigkeit, gute Druckverformungsrest-Eigenschaften sowie eine im Vergleich zu Standard- und Silikonelastomeren deutlich bessere Beständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen gefordert sind. Bei mechanisch anspruchsvollen Anwendungen bleibt FVMQ wegen seiner geringen Abriebs- und Reißfestigkeit hinter alternativen Werkstoffen wie NR, SBR, EPDM, IIR, CR, NBR und HNBR zurück.

Kostenvergleich zwischen FVMQ und anderen Elastomeren

Fluorsilikon ist durch die zweischrittige Herstellung, die teureren Ausgangsstoffe und die deutlich geringere Produktionsmenge teurer als das Standard-VMQ-Silikon sowie viele andere klassische Standardelastomere wie EPDM oder NBR – liegt jedoch preislich in der Regel unter den Kosten hochwertiger Alternativen wie FKM.

Mate- rial	FVMQ	EPDM	NBR	CR	TPE/ TPU	Silikon (LSR)	Silikon (HTV)	HNBR	FKM
Kosten-faktor	x 3,6	x 1,0	x 1,0	x 1,2	x 1,3	x 1,4	x 1,8	x 2,9	x 3,7

Tabelle 2: Kostenvergleich von FVMQ mit anderen Kautschuk- und Silikonmaterialien

FVMQ erweist sich vor allem dann als wirtschaftlich sinnvoller Werkstoff, wenn Anwendungen mit hoher Temperaturbelastung, starken Witterungseinflüssen und gleichzeitigem Öl- oder Kraftstoffkontakt vorliegen. Durch die Verwendung von FVMQ können die Lebenszyklen der Bauteile durch die höhere Ermüdungsresistenz verlängert und dadurch die Gesamtkosten gesenkt werden. In weniger anspruchsvollen Anwendungsbereichen sind VMQ, EPDM oder NBR oft eine kostengünstigere und sinnvollere Alternative