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Was macht Naturkautschuk für viele industrielle Anwendungen so interessant?

100 Jahre Makromolekulare Chemie

Der Naturkautschuk ist der ursprüngliche Kautschuk, der schon einige hundert Jahre bekannt ist. Nachdem Goodyear 1839 entdeckte, dass Naturkautschuk vulkanisierbar ist, wurde das Interesse an diesem Werkstoff immer größer. Naturkautschuk wird aus dem Saft von Pflanzen (Latex-Milch) meist von dem Kautschukbaum Hevea Brasiliensis gewonnen. Durch die besonderen Eigenschaften des Naturkautschuks hat dieser bis heute eine herausragende Stellung, so dass jedes Jahr mehrere Millionen Tonnen gewonnen werden.

Vielen sind Gummibänder, Luftballons oder auch Gummihandschuhe aus Naturkautschuk bekannt. Bei diesen können wir einen Eindruck von den Eigenschaften des Naturkautschuks bekommen. Wir können das Gummiband um mehrere hundert Prozent Dehnung längen, ohne dass es reißt, und wir brauchen viel Kraft, um es am Ende durchzureißen.

Abbildung 1: Gummiband entspannt und gespannt (eigenes Foto des Autors)

Naturkautschuk hat aufgrund seiner einzigartigen Struktur besondere Eigenschaften. Die chemische Struktur des Naturkautschuks ist gleichgerichtet und mehr als 99,9 % der Polymerkette besteht aus cis-1,4-Polyisoprenen [1]. Diese Polymerketten liegen im entspannten Zustand in verknäulter Form vor, was mit moderner Polymeranalytik nachgewiesen und aus der Molekülstatistik hergeleitet werden kann. In der verknäulten Form unterscheiden sich die Polymerketten bei anderen Elastomeren nicht wesentlich. Wir werden gleich noch erfahren, was bei einer Dehnung dieser Knäule bei Naturkautschuk Besonderes auftritt.

Abbildung 2: Struktur der Naturkautschuk-Polymerketten (eigene Darstellung des Autors)

Naturkautschuk wird für die Herstellung von technischen Produkten mit Füllstoffen (meist Ruße), Weichmachern, Alterungsschutzmitteln, Verarbeitungshilfsstoffen, Vernetzungsaktivatoren und Schwefel vermischt. Diese Mischung wird dann in Formen gegeben und unter Druck und bei Temperaturen um die 160°C gebacken (vulkanisiert). Der Schwefel bildet dabei einige Schwefelbrücken zwischen den langen Polymerketten. Dadurch wird der Naturkautschuk formstabil und bekommt seine elastomeren Eigenschaften [2]. Durch die Vernetzungsdichte und die Menge und Art der Füllstoffe können viele Eigenschaften, wie die Schubsteifigkeit und das dynamische Verhalten, des Naturkautschuks und damit des Bauteils eingestellt werden.

Eine Verzerrung des Bauteils führt zu einer Streckung der Moleküle und damit zu einer Orientierung der Polymerketten. Durch die dann geordnete Struktur der Ketten kann es insbesondere bei der gleichartigen Struktur des Naturkautschuks (s.o.) zu der sogenannten Selbstverstärkung oder Dehnungskristallisation kommen [3]. Es entstehen dabei zwischen den Ketten starke physikalische Wechselwirkungen aber keine chemischen Bindungen. Durch dieses Verhalten zeigt Naturkautschuk eine sehr hohe Lebensdauer unter zyklischer mechanischer Beanspruchung und auch eine hohe statische Festigkeit bei einer hohen Bruchdehnung. Dehnungen von mehr als 600 % sind ohne Bruch möglich.

Abbildung 3: Vereinfachte Darstellung der Molekülketten mit Schwefelbrücken und Dehnungskristallisationsbereich (eigene Darstellung des Autors)

Die lange Lebensdauer von Elastomerbauteilen aus Naturkautschuk ist durch das besondere Weiterreißverhalten des Werkstoffes bestimmt [4]. Entsteht ein kleiner Riss im Bauteil, wird dieser Riss beim Wachsen immer wieder in eine andere Richtung abgelenkt. Dadurch werden sehr viele Lastwechsel benötigt, um das Bauteil am Ende final durchzureißen. Die Bruchfläche zeigt daher eine sehr zerklüftete Struktur, die aus extrem vielen abgelenkten Rissen besteht [5]. Diese spezielle Eigenschaft macht Produkte aus Naturkautschuk so einzigartig.

Abbildung 4: Bruchfläche nach vielen tausend Lastwechseln (links Oberfläche aus der Form, rechts zerklüftete Bruchfläche) (eigenes Foto des Autors)

Darüber hinaus kriecht der vulkanisierte Naturkautschuk unter anhaltender Last nicht so schnell, wie dies bei manch anderem Kautschuk der Fall ist. Bauteile aus Naturkautschuk haben daher eine hohe Formstabilität unter statischer Last [6].

Deshalb wird Naturkautschuk in vielen technischen Produkten wie z. B. Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen, Windkraftanlagen, Bauwerken und Maschinen verwendet. Die meisten Personenzüge, aber auch dynamisch belastete Maschinen, komplexe Anlagen und gegen Erdbeben geschützte Hochhäuser insbesondere in Asien „stehen“ auf Naturkautschuk.

Abbildung 5: Eisenbahndrehgestell mit Bauteilen in denen Naturkautschuk eingesetzt wird (Bild: mit freundlicher Genehmigung der Trelleborg Antivibration Solutions Germany GmbH)

Im Automobilbau sind viele Elastomerbauteile im Fahrwerk zu finden. Auch als Motorlager in PKW, LKW und Schiffen wird Naturkautschuk an vielen Stellen eingesetzt.

Abbildung 6: Elastomerbauteile in einem PKW (Bild: mit freundlicher Genehmigung der Vibracoustic AG)

Häufig wird das Elastomer an Metallteilen gleich mit anvulkanisiert, damit das Bauteil an seinem Platz angeschraubt und eine sichere Verbindung hergestellt werden kann [7].

Abbildung 7: Motorlager mit anvulkanisierten Metallen (eigenes Foto des Autors)

Aber auch in Reifen wird der Naturkautschuk verwendet. Ein LKW-Laufstreifen soll einen geringen Abrieb haben, so dass ein Reifen lange hält. Daher wird insbesondere im LKW-Laufstreifen Naturkautschuk verwendet, da Naturkautschuk einen geringen Abrieb zeigt [8].

Abbildung 8: Reifen eines Schwerkrans (eigenes Foto des Autors)

Die Grenzen für den Einsatz von Naturkautschuk werden meist nur dort erreicht, wo sehr tiefe oder sehr hohe Temperaturen von mehr als 90°C über längere Zeit oder Stoffe wie z. B. Benzin, Öl und andere für Naturkautschuk aggressive Chemikalien auftreten [1]. Bei großen Bauteilen in geeigneter Umgebung ist eine Lebensdauer von mehr als zwanzig Jahren durchaus möglich.

Autor: Dr.-Ing. Martin Flamm, Beratende Ingenieure Flamm, Buchholz    
Redaktionelle Bearbeitung: Maren Mielck, GDCh

Literatur:

1

K. Nagdi. Gummi-Werkstoffe, 2 Ausg. Dr.Gupta Verlag, Ratingen, 2002

2

J. Schnetger. Kautschukverarbeitung. Vogel Verlag, Würzburg, 1998

3

P.-A. Albouy, A. Vieyres, O. Sanseau, P. Sotta, ECCM, Constitutive Models for Rubber VIII, Balkema, Leiden, 2013, p. 461-466

4

R. S. Rivlin und A. G. Thomas. Rupture of rubber, Journal of Polymer Science 10 (1953), S. 291–318.

5

. Flamm, J. Spreckels, T. Steinweger, U. Weltin, International Journal of Fatigue Vol.33 Issue 9 (2011) p. 1189-1198

6

A. N. Gent. Engineering with Rubber, 2 Ausg. Carl Hanser Verlag, München, 2001

7

G. Hausmann. Gummi-Metall-Verbindungen. VDI-Verlag, Düsseldorf, 1994

8

S. Mehlhase. Kautschuk Gummi Kunststoffe, Hüthig Verlag, 2019

Die Makromolekulare Chemie feiert in diesem Jahr hundert Jahre. Jeder von uns ist Makromolekülen schon begegnet, zum Beispiel in Form von Kunststoff. Zum Jubiläum zeigen unsere Beiträge dieses Jahr, wo Makromoleküle vorkommen.

Dieser Artikel erschien zuerst auf faszinationchemie.de.

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