Elastomere

Elastomere sind gummielastische Polymerwerkstoffe, deren verknäulte Makromoleküle weitmaschig und lose vernetzt sind. Elastomere werden häufig auch als Synthesekautschuke bezeichnet. Diese Polymere werden nicht nur durch Polymerisation, sondern auch durch Polyaddition (z.B. Polyurethan-Elastomere) und Polykondensation (z.B. Siliconkautschuk) hergestellt.

Zwei Arten der Vernetzung werden unterschieden, die chemische und die physikalische. Sind die Molekülketten physikalisch untereinander vernetzt, bezeichnet man diese Kunststoffe auch als thermoplastische Elastomere. Die Vernetzung erfolgt oftmals direkt während der Synthese, indem dort bereits Vernetzungsmittel beigegeben werden. Teilweise setzen sich die Synthesekautschuke aber auch aus Stoffen zusammen, welche sich selbst vernetzen, so dass ein Vernetzungsmittel nicht mehr notwendig ist. Eine weitere Vernetzungsmöglichkeit ist die Vulkanisation, welche auch bei Rohkautschuk verwendet wird.

Verhalten unter Kraft- und Wärmeeinwirkung

Unter Krafteinwirkung können sich die weitmaschig vernetzten Makromoleküle der Elastomere sehr stark ausdehnen, ohne dass chemische Bindungen unterbrochen werden (Abb. 1). Sie lassen sich auf mehr als das Doppelte ihrer Länge ziehen und kehren bei Entspannung wieder in ihren Ausgangszustand zurück.

              Abb. 1 Verhalten von Elastomeren a) bei Krafteinwirkung, b) bei Wärmeeinwirkung (Grafik von Bozena Arnold)

Im Gegensatz zu amorphen Thermoplasten können die Makromoleküle von Elastomeren nicht aneinander gleiten, da sie durch kovalente Bindungen vernetzt sind. Dies bewirkt, dass Elastomere sich gummielastisch verhalten, sie können große elastische Verformungen ertragen. Ursache für dieses Verhalten ist die Entropie, ein Maß für die Unordnung in einem System, hier dem System aus Polymerketten. Alle Moleküle streben nach einer maximalen Entropie und verteilen sich deshalb möglichst gleichmäßig unordentlich in einem Raum. Für die vernetzten Polymerketten bedeutet dies, dass sie bevorzugt in einem verknäuelten Zustand (Abb. 1a links) vorliegen. Nach einer Dehnung liegen die Ketten geordneter (Abb. 1b mittig) vor und haben somit eine niedrigere Entropie. Werden sie nun wieder entspannt, streben sie sofort zurück in den Zustand höchster Entropie, also ihren Ausgangszustand (Abb. 1a rechts). Die genaue Dehnbarkeit eines Elastomers hängt von seinen Ausgangs- und Zusatzstoffen ab.
Während sich chemisch und physikalisch vernetzte Elastomere in ihrem Dehnungsverhalten nicht signifikant unterscheiden, ist ihr Verhalten bei Temperaturveränderungen, insbesondere beim Temperaturanstieg, sehr verschieden.

Das Verhalten chemisch vernetzter Elastomere bei Wärmewirkung zeigt Abb. 1b. Ähnlich wie bei den amorphen Thermoplasten findet eine sprunghafte Änderung der mechanischen Eigenschaften von Elastomeren beim Glasübergang statt. Jedoch im Gegensatz zu den Thermoplasten liegt die Glasübergangstemperatur (TG) niedrig, so dass eine Versprödung erst weit unterhalb der Einsatztemperatur eintritt. Deshalb werden Elastomere oberhalb der Glasübergangstemperatur verwendet und verhalten sie sich sehr elastisch jedoch nur bis zu einer bestimmten Temperatur, der Zersetzungstemperatur (TZ). Dann beginnt der molekulare Abbau der Polymere. Die Zersetzungstemperatur von Elastomeren liegt oberhalb von ca. 200°C. Bei weiterer Erwärmung von Elastomeren kann eine zusätzliche Vernetzung auftreten. Dies führt zu einer leichten Erhöhung der Festigkeit, was in Abb. 1b zu erkennen ist. Der gummielastische Zustand bleibt jedoch praktisch bis zur Zersetzungstemperatur erhalten. Bedingt durch das Verhalten unter Wärmeeinwirkung sind Elastomere nur begrenzt umformbar und nicht schweißbar. Durch Füllstoffe (z.B. Ruß) können zusätzliche Bindungen zwischen den Makromolekülen und den Partikeln entstehen und Elastomere in ihren Eigenschaften modifiziert werden. Im Unterschied zu den chemisch vernetzten Elastomeren zersetzen sich die thermoplastischen Elastomere nicht bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur, sondern beginnen zu schmelzen und sind dann plastisch verformbar.

In der Regel weisen Elastomere eine hohe Zähigkeit, Abriebfestigkeit, Gasundurchlässigkeit und Chemikalienbeständigkeit auf. Ihre Eigenschaften sind zum größten Teil sehr stark von dem jeweiligen Aufbau und eventuellen Zusatzstoffen abhängig. Deshalb lassen sich allgemein gültige Aussagen zu den Eigenschaften der Elastomere nur sehr schwierig machen. So gibt es beispielsweise sowohl Elastomere, welche eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Säuren und Basen aufweisen, z.B. Fluorelastomere, aber auch einige, die sehr schlecht gegen diese Stoffe beständig sind, z.B. Polysiloxan-Elastomere. Elastomere werden in der Regel zu einem Drittel aus Naturkautschuk hergestellt, der in vielen Anwendungen unersetzbar ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass es bisher noch nicht gelungen ist, einen Synthesekautschuk mit einem ähnlich optimalen Eigenschaftsprofil zu erzeugen.

Eigenschaften und Anwendung ausgewählter Elastomere

Heutzutage gibt es eine Vielzahl von Synthesekautschuken, die meistens für bestimmte Anforderungen entwickelt wurden. Technisch wichtige Elastomere sind in Tab. 1 aufgelistet. 

Tab. 1 Elastomere (Auswahl)       

Bezeichnung und Kurzzeichen Eigenschaften und Anwendungsbeispiele
Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)

Gebrauchstemperatur bis 100 °C, abriebfest, sehr elastisch

Anwendung: Fahrzeugreifen, Schläuche, Maschinenfüße, Kabelummantelungen

Polybutadien-Kautschuk (BR)

Gebrauchstemperatur bis 90 °C, abriebfest, sehr elastisch

Anwendung: Fahrzeugreifen

Chloropren-Kautschuk (CR)

Gebrauchstemperatur bis 100 °C, witterungs- und chemikalienbeständig, reißfest

Anwendung: Profildichtungen, Kabelummantelungen

Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR)

Gebrauchstemperatur bis 100 °C, sehr gut witterungs- und chemikalienbeständig, geringe Durchlässigkeit für Gase

Anwendung: Wellendichtringe, Kraftstoffschläuche

Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM)

Gebrauchstemperatur bis 80 °C, gut witterungs- und chemikalienbeständig

Anwendung: Profildichtungen für Haushaltsgeräte

Siliconkautschuk SIR

Gebrauchstemperatur bis 120 °C (einige Sorten bis 300 °C), wärme- und kältebeständig

Anwendung: Fugendichtungsmassen und -bänder

Aufgrund ihres vielseitigen Anwendungsspektrums sind Elastomere in vielen Bereichen zu finden. Abb. 2 zeigt ein paar Anwendungsbeispiele für Elastomere. Gummistiefel (Abb. 2a) sind wohl eine sehr bekannte Anwendung. Auch Schuhsohlen (Abb. 2c) werden aus speziellen Marken von Elastomeren gefertigt.

         Abb. 2 Anwendungsbeispiele für Elastomere a) Gummistiefel, b) Autoreifen,                                 c) Schuhsohlen

Das größte Einsatzgebiet für Kautschuke ist jedoch die Produktion von Autoreifen (Abb. 2b). Eine weitere typische Anwendung sind verschiedene Dichtungen.

Die Anforderungen an technische Gummiprodukte wachsen stetig. Spezialprodukte, beispielsweise mit hoher Hitze- und Ölresistenz sowie sehr guter Alterungsbeständigkeit sind gefragt. Der Trend bewegt sich hin zu maßgeschneiderten Molekülstrukturen, welche auf das jeweilige Produkt und seine Anwendung zugeschnitten sind.<<
      

 

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