Kautschuk "Gummi herstellen ist wie Kuchen backen"
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Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
Kautschuk
„Gummi herstellen ist wie Kuchen backen“
Jahresarbeit von Kristin Becker
Freiherr- vom- Stein Schule, Hessisch Lichtenau
Fach: Chemie (LK)
Fachlehrer: Herr Meyfarth
Großalmerode, 16.04.2012
1
Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
Gliederung
1 Vorwort Seite 3
2 Einführung Seite 4
3 Grundlagen (des Kautschuks)
3.1 Monomere und Polymere Seite 5
3.2 Elastomere Seite 6
4 Naturkautschuk
4.1 Geschichte Seite 6
4.2 Gewinnung aus dem Kautschukbaum Seite 7
4.3 Aufbau/Eigenschaften Seite 8
4.4. Anwendungsgebiete von Seite 9
Naturkautschukvulkanisaten
5 Synthesekautschuk
5.1 Entwicklung zur Kautschukindustrie Seite 9
5.2 Styrol-Butadienkautschuk (SBR) Seite 10
5.2.1. Synthese von SBR Seite 10-13
5.3 Eigenschaften Seite 14
5.4. Anwendungsgebiete Seite 14
6 Kautschukmischungen Seite 14-16
7 Vulkanisation
7.1 Definition Seite 16
7.2 Entdeckung Seite 16
7.3 Vulkanisationsverfahren Seite 17-19
8 Nachwort Seite 20
9 Fachwortverzeichnis Seite 21
10 Quellenangaben
10.1 Literaturverzeichnis Seite 22
10.2 Abbildungsverzeichnis Seite 22-23
10.3 Internetquellen Seite 24
2
Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
1 Vorwort
Kautschuk ist ein Stoff, der uns ganz unbewusst im täglichen Leben begegnet.
Ich denke, jeder hat diesen Begriff zwar schon einmal gehört und etwas dazu im Hinterkopf,
wie zum Beispiel: „Kautschuk ist doch Gummi“. Doch welche Funktion und Bedeutung hat
dieser Stoff wirklich?
Als ich von der anstehenden Jahresarbeit gehört hatte, habe ich mir zunächst überlegt, in
welchem Fach ich meine Arbeit schreiben möchte. Meine Wahl fiel auf Chemie. Die
Themenwahl fiel mir etwas schwerer. Als ich in dem Forschungsmagazin „research“ blätterte,
wurde ich durch einen Slogan auf das Thema Kautschuk aufmerksam: „Gummi herstellen ist
wie Kuchen backen“. 1 Ich hatte keinerlei Vorkenntnisse über das Thema und durch das Lesen
des Artikels wurde meine Neugier geweckt und ich wollte mehr darüber herausfinden.
Da das Thema des Kautschuks sehr umfassend ist, habe ich mich entschieden, meinen Fokus
auf den Naturkautschuk und einen bedeutenden Synthesekautschuk, nämlich Styrol-
Butadienkautschuk, zu legen.
In dieser Jahresarbeit möchte ich einen etwas vertiefenden Einblick in die Grundlagen des
Kautschuks geben und somit auch die Frage klären, ob Gummi und Kautschuk denn nun das
Gleiche sind oder nicht.
Daher stellen sich bei meiner Arbeit folgende Leitfragen und Ziele. Ich möchte die
geschichtliche Entwicklung des Kautschuks erarbeiten und dabei die traditionelle Gewinnung
von Naturkautschuk erläutern. Im Gegensatz dazu möchte ich die synthetische Herstellung
und die industrielle Gummiherstellung gegenüber stellen. Außerdem sollten die
verschiedenen Schritte vom Kautschuk zum Elastomer deutlich werden.
Ich hoffe, mir somit einen umfassenden Überblick über das Thema Kautschuk verschaffen zu
können, viele neue Informationen zu gewinnen und diese in meiner Jahresarbeit gut
veranschaulicht darzustellen.
Anmerkung: Begriffe, welche in diesem Farbton hinterlegt sind, werden im
Fachwortverzeichnis auf Seite 21 erklärt.
1
Research Forschungsmagazin Ausgabe 12 S. 87/88
3Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
2 Einführung
Kautschuk ist unersetzbar, denn er bildet die Grundlage zur Herstellung vom Gummi.
Nach Din 53501 wird Kautschuk wie folgt definiert: „Kautschuk ist ein unvernetztes aber
vernetzbares (vulkanisierbares) Polymer mit gummielastischer Eigenschaft (..) Kautschuk ist
ein Ausgangsprodukt bei der Herstellung von Elastomeren (Gummi).“2
Zunächst nutzte man Naturkautschuk zur Herstellung von Gummiwerkstoffen, bevor Anfang
des 20. Jahrhunderts die synthetische Herstellung von Kautschuken erforscht worden war. 3
Kautschukmoleküle bestehen aus so genannten Monomeren, welche zusammen ein Polymer
bilden 4 . Da die Polymere aus mehreren Tausend Monomereinheiten verbunden sind, nennt
man sie Makromoleküle oder Kettenmoleküle. Sie haben ein hohes Molekulargewicht. 5
Die Polymerketten, also die Kautschukmakromoleküle, werden nur durch geringe
intermolekulare Kräfte zusammengehalten. Deshalb wird der Kautschuk bei hoher
Krafteinwirkung so stark verformt, dass er nicht vollständig in seine Ausgangsform
zurückkehren kann. Erst die Vulkanisation, das Vernetzen der Polymerketten durch
Schwefelverbindungen, führt zu einem stabilem Vernetzungsgrad, sodass ein elastischer Stoff
entsteht, ein Elastomer – besser bekannt als Gummi. 6
Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften sind Elastomere vielseitig einsetzbar. Sowohl die
Art der Gewinnung, die Durchführungsweise der Vulkanisation, als auch die
Verarbeitungsweise des Vulkanisats sind dabei ausschlaggebend für das spätere
Eigenschaftsbild. 7
Bevor der Kautschuk vulkanisiert wird und somit seine Gummielastizität erhält, werden so
genannte Kautschukmischungen zusammengestellt. Man versetzt den Kautschuk
beispielsweise mit Füllstoffen, Weichmachern oder Verarbeitungshilfsmitteln, um ein
optimales Eigenschaftsbild zu erhalten. 8
2
Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Vogel Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 44
3
Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 19
4
Franck/Herr/Rus e/Schulze, Kunsts toff Ko mpendiu m, Vogel Buchverlag, 7. Aufl. 2011, S. 16
5
Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Vogel Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 34
6
Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Vogel Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 18
7
http://www.materialarchiv.ch/detail/7#/detail/7/natur-kauts chuk
8
Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 1-2
4Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
3 Grundlagen
3.1. Monomere und Polymere
Der Begriff Monomer leitet sich vom griechischen mono „einzeln“ und meros „Teil“ ab 9 . Es
handelt sich dabei um Grundbausteine, die charakteristische funktionelle Gruppen aufweisen
und daher reaktionsfähig sind. Kennzeichnend für diese Art von Molekülen ist, dass sie
untereinander reagieren und dabei aus vielen einzelnen Teilchen ein langkettiges Polymer
entsteht. Hierbei ist die die Wahl der Monomere, sowie die Art der Vernetzung
ausschlaggebend für die Eigenschaften des entstehenden Polymers.
Abbildung Nr.1: Monomere verknüpfen sich zu einem Polymer 10
Beim Mechanismus der Polymerisation werden die ungesättigten Monomere zu langkettigen
Makromolekülen zusammengeschlossen. Dies geschieht unter Aufspaltung der
Doppelbindungen und Ausbildung neuer Einfachbindung zwischen benachbarten
Monomeren.
9
http://de.wikipedia.org/wiki/Monomer
10
Abbildung Nr. 1: Eigene Abbildung erstellt mit Che msketch nach Vorlage aus: Georg Abts , Einführung in die
Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 4
5Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
3.2. Elastomere
Im Fokus dieser Jahresarbeit steht eine bestimmte Art von Polymeren, nämlich die
Elastomere. Ihre Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass die einzelnen Ketten verknäult sind
und weitmaschig dreidimensional vernetzt sind. Aufgrund dieser Verknüpfung, können sie
verformt werden und anschließend wieder in die ursprüngliche Gestalt zurückkehren11 .
Abbildung Nr.2: Knäulstruktur eines Elastomers 12
4 Naturkautschuk
4.1 Geschichte
Die Anfänge der Kautschuknutzung führen uns zurück zur Kultur der südamerikanischen
Ureinwohner. Aus dem Saft eines Baumes, den sie „cahuchu“ = Tränendes Holz“ nannten, 13
formten sie unterschiedlichste Alltagsgegenstände wie Bälle, wasserdichte Kleidung und
Schläuche. In der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts suchte man in Europa nach einem
elastischen Material, sodass vermehrt größere Mengen des Naturkautschuks nach Portugal
gebracht wurden. Jedoch erwies sich der Transport als problematisch, da der Saft des Baumes
11
Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 41-42
12
Abbildung Nr. 2: Georg Abts , Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 7
13
Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 21
6Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
auf der Überfahrt eindickte und somit kaum noch verarbeitet wurden konnte. 14
Dieses Problem wurde jedoch später durch die französischen Chemiker Macquer und
Herissant gelöst, als sie entdeckten, dass durch Lösen in Terpentin und Äther die Rohmasse
wieder in die flüssige und damit verwendbare Form gebracht werden konnte, wodurch nun
auch in Europa Kautschuk als Werkstoff zur Verfügung stand. 15
Die englische Bezeichnung „rubber“ verdankt er im Übrigen seiner weiteren Eigenschaft,
dass man Bleistiftstriche mit ihm abreiben kann. Die hergestellten Produkte hatten jedoch den
großen Nachteil, dass sie bei hohen Temperaturen äußerst klebrig und bei niederen
Temperaturen hart und spröde waren. Dieses Problem wurde erst einige Zeit später durch
Charles Goodyear gelöst.
4.2 Gewinnung von Naturkautschuk aus dem Kautschukbaum
Bei dem besagten „cahuchu“ handelt es sich um einen Baum mit dem Namen Hevea
Brasiliensis. Ursprünglich stammt er aus Brasilien und wächst 15° ober- und unterhalb des
Äquators. 16 Er kann bis zu 30m hoch werden und hat Milchröhren in seiner Rinde, die den
kautschukhaltigen Pflanzensaft namens Latex enthalten. Latex ist ein weißer milchartiger
Saft, der im Schnitt 30- 40 % Kautschuk, sowie Wasser Proteine und Harze enthält. 17
Um Kautschuk zu gewinnen, muss zunächst der Latex geerntet
werden. Dazu wird die Rinde des Baumes angeschnitten,
sodass Latex austritt, welches in Behältern aufgefangen wird.
Der Latex wird dann mit Essigsäure bzw. Ameisensäure
versetzt, sodass eine Koagulation stattfindet.
Anschließend wird der gewonnene Kautschuk gewaschen und
von der wässrigen Phase getrennt. Er wird dann zu „Sheets“
gepresst. Um sie zu konservieren, werde diese anschließend
getrocknet und geräuchert. 18
Abbildung Nr. 3 19
14
http://www.ahauser.de/deutsch/services/Kautschukges chichte/frame_kauts chuk.htm
15
Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S.22
16
Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 19
17
Reh m/ Espig, Die Ku lturpflan zen der Tropen und Subtropen, Ulmers Taschenhandbücher, S. 343
18
Reh m/ Espig, Die Ku lturpflan zen der Tropen und Subtropen, Ulmers Taschenhandbücher, S. 348
7Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
4.3 Aufbau und Eigenschaften von Naturkautschuk
Wie bereits erwähnt, enthält die Latexmilch 30-40% Kautschuk. Es handelt sich hierbei um
das cis-Polymer des Isoprens (2-Methylbuta-1,3-dien).
CH3 H3C H3C H 3C
CH 2
H 2C H 3C
CH 3
n
Isopren (2-Methylbuta-1,3-dien) cis-Polyisopren = Naturkautschuk
Abbildung Nr. 4 : Isopren des Naturkauts chuks20
Das Isoprenmolekül besitzt 2 Doppelbindungen, die konjungiert und delokalisiert sind. Beim
Polymerisieren werden diese aufgebrochen und es bildet sich eine neue Doppelbindung
zwischen dem 2. und 3. C-Atom. Das erste und vierte C-Atom kann sich nun mit anderen
Isoprenmolekülen verbinden. Wichtig dabei ist, dass man die cis-Trans-Isomerie an der
Doppelbindung beachtet, denn nur die cis- Form kommt im Latexsaft vor 21 . Das Vulkanisat
(Erklärung zur Vukanisation in Kapitel 5) besitzt folgende Eigenschaften:22
Hohe Reißfestigkeit, 15-30 N pro mm²
Hohe Reißdehnung, 100-800%
Hitzebeständigkeit max. 80°C bis 90°C
Kältebeständigkeit bis -55°C
Isoliereigenschaften gegen Elektrizität
Geringe Ozon-, Alters- und Wetterbeständigkeit, kann durch Zusätze jedoch erhöht
werden
Chemische Beständigkeit:
Gut bis Mäßig gegen polare Flüssigkeiten (Wasser, Alkohol), Siliconöle und Fette,
verdünnte Lösungen schwacher Säuren
19
Abbildung Nr. 3: http://www.dradio.de/images/53176/portrait/
20
Abbildung Nr.4: Eigene Abbildung erstellt mit Chemsketch nach Vorlage von
http://de.wikipedia.org/wiki/Isopren
21
Beyer Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 24. Auflage, S. 732
22
Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S.202
8Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
Nicht beständig gegen Mineralöle und –fette, Treibstoffe, aliphatische, aromatische
und chlorierte Kohlenwasserstoffe, sowie oxiderende Medien (z.B. HNO 3 , H2O2 )
4.4 Anwendungsgebiete von Naturkautschukvulkanisaten
Hauptsächlich werden Vulkanisationsprodukte des Natur-
kautschuks für Fahrzeugreifen, Transportbänder, Schläuche,
Dichtungen und andere technischen Gegenstände eingesetzt.
Außerdem werden viele Alltagsgegenstände wie Gummistiefel,
Schuhsolen, Handschuhe, Schwämme etc. hergestellt. 23
5 Synthesekautschuk
5.1. Entwicklung zur Kautschukindustrie Abbildung Nr. 5: Gummistiefel24
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts führten mehrere Gründe zum Streben nach synthetischen
Kautschuken. Zum einen gab es ein Kautschukmonopol in Brasilien, wodurch die Preise
extrem hoch lagen. Des Weiteren stieg der allgemeine Bedarf an Kautschuk, da vor allem die
nun immer größer werdende Autoindustrie diesen zur Reifenherstellung benötigte. Im Jahr
1909 wurde der erste synthetische Kautschuk namens Polyisopren bzw. Mehylkautschuk von
dem deutschen Chemiker Fritz Hofmann erfunden25 . Ein weiterer Meilenstein war die
Synthese von Butadienkautschuk unter Hilfe von Natrium. Aufgrund der eingesetzten Edukte
Butadien und Natrium wurde er kurz „Buna“ genannt 26 . Im Jahr 1929 wurde der wohl
wichtigste Synthesekautschuk vom deutschen Chemiker Walter Bock erfunden. Dieser Styrol-
Butadien-Kautschuk konnte weitflächig genutzt werden und ist auch heute noch der am
häufigsten verwendete Synthesekautschuk 27 . Seit 1960 übersteigt die Produktion von
Synthesekautschuk die des Naturkautschuks. Der weltweite Kautschukverbrauch ist seit 1960
23
Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 203
24
Abbildung Nr. 5: http://kanubistanker.de/online-shop/bilder/produkte/gross/Gummi-Stiefel-Cruising-blau-
Groesse-41.png
25
http://www.gu mmiroost.ch/pdf/formulare/Kauts chuk_Geschichte.pdf
26
Beyer Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 24. Auflage, S. 733
27
http://www.gu mmiroost.ch/pdf/formulare/Kauts chuk_Geschichte.pdf
9Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
von 2,65 Millionen Tonnen bis zum Jahr 1990 auf 15,8 Millionen Tonnen angestiegen. Trotz
der Erfindung der synthetischen Kautschuke wird der Naturkautschuk als „Allround-
Kautschuk“ weiterhin verwendet und macht immer noch 30 % des Weltverbrauchs aus. 28
Aufgrund seiner großen Bedeutung möchte ich mich in diesem Teilabschnitt genauer mit dem
Styrol-Butadienkautschuk befassen.
5.2 Styrol-Butadien-Kautschuk
Bei Styrol-Butadien-Kautschuk, der kurz als SBR bezeichnet wird (styrene-butadiene-rubber)
handelt es sich um ein Copolyme risat, also ein aus verschiedenen Monomeren
zusammengesetztes Polymer. Diese sind hier Styrol und Buta-1,3-dien.
H2C CH2
CH2
Buta-1,3-dien Styrol
Abbildung Nr. 6: Struktur von Buta-1,3-dien und Styrol29
5.2.1 Synthese von SBR
Es gibt zwei verschiedene Verfahren zur Synthese von SBR, die Emulsionspolymerisation
und die Lösungspolymerisation, wobei am häufigsten die Emulsionspolymerisation
angewandt wird. 30 Das Prinzip dieses Verfahrens besteht darin, dass das oder die Monomere
in wässriger Lösung emulgiert werden. Dies geschieht unter Zuhilfenahme von Emulgatoren,
die ab einer gewissen Konzentration Mizellen ausbilden, in denen die Monomere eingelagert
sind 31 . Der Vernetzung der emulgierten Monomere liegt im folgendem Verlauf der
Mechanismus der radikalischen Polymerisation zugrunde.
28
http://www.gu mmiroost.ch/pdf/formulare/ Kautschuk_Geschichte.pdf
29
Abbildung Nr. 6: Eigene Abbildung erstellt mit Chemsketch nach Vorlage von
http://de.wikipedia.org/wiki/Styrol und http://de.wikipedia.org/wiki/1,3-Butadien
30
Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007 , S 25
31
http://www.chemie.uni-ha mburg.de/bibliothek/2004/DissertationWinschel.pdf
10Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
Abb. Nr. 7 Mizelle mit
eingelagerten Monomeren 32
Als Emulgatoren kommen hierbei folgende Verbindungen in Frage 33 :
- Alkalisalze der Alkylbenzolsulfonate
- Alkalisalze der Dialkylnaphthalinsulfonsäure
Der erste Schritt der radikalischen Polymerisation geschieht hier unter Zuhilfenahme von
wasserlöslichen Initiatoren. Es handelt sich hierbei um verschiedene Peroxidverbindungen,
wie z.B. Ammoniumpersulfat. 34
Unter Einfluss von Wärme sind diese Verbindungen instabil und zerfallen, sodass ein
Startradikal entsteht, welches die Polymerisation der Monomere einleitet.
Abbildung Nr. 8: Thermischer Zerfall von Persulfat 35
32
Abbildung Nr. 7: Eigene Abbildung erstellt mit Chemsketch nach Vorlage durch http://www.che mie.un i-
hamburg.de/bibliothek/2004/DissertationWinschel.pdf S, 15 und eigene Anpassung
33
Beyer - Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 24. Auflage, S. 733
34
Beyer - Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 24. Auflage, S. 733
35
Abbildung Nr. 8: http://upload.wikimed ia.org/wikipedia/co mmons /thumb/9/98/Thermal_degradation
_of_persulfate.svg/620px-Thermal_degradation_of_persulfate.svg.png
11Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
Jedoch besteht auch die Möglichkeit, die Radikalbildung in der Kälte durchzuführen, indem
durch Zugabe bestimmte Metallionen eine Redoxreaktion stattfindet, bei der Radikale
entstehen. 36
O O O O
2+
R R + Fe R + Fe
3+
+ R
O O -
O O
Diacylperoxid Radikal
Abb Nr. 9: Radikalb ildung 37
Im nächsten Schritt lagert sich das Radikal (z.B. das Acyloxyradikal), welches ein
ungepaartes Elektron besitzt, an die Doppelbindung eines Monomers an, in diesem Fall z.B.
an Styrol38 .
O
R
O O
CH2 CH2
R +
O
Abbildung Nr. 10: Anlagerung des Radikals 39
Im weiteren Verlauf des Mechanismus greift das neu gebildete Radikal an der Doppelbindung
des nächsten Moleküls an, was in diesem Fall Buta-1,3-dien ist. Man nennt diesen Vorgang
Kettenwachstum, da er sich ständig wiederholt und somit stetig Styrol und Butadien in die
Kette eingegliedert werden. Zu bemerken bei der Addition von Butadien ist, dass das erste
und das vierte C-Atom als Verknüpfungspunkte dienen. Dabei werden beide
Doppelbindungen gespalten und es bildet sich eine neue zwischen dem zweiten und dritten C-
Atom aus. Grund hierfür ist das konjungierte Doppelbindungssystem des Butadiens. Die C-
36
Beyer - Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 24. Auflage, S. 733
37
Abbildung Nr. 9: eigene Abbildung erstellt mit Chemsketch nach Vorlage von Beyer - Walter, Lehrbuch der
Organischen Che mie, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 24. Auflage, S. 733
38
Mechanismus entnommen aus http://www.che mpage.de/theorie/radpoly.htm und eigene Anpassung
39
Abbildung Nr. 10: Eigene Abbildung erstellt mit Che msketch nach Vorlage durch
http://www.chempage.de/theorie/radpoly.htm
12Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
Atome sind sp2 -hybridiesiert und es findet wie beim Isopren eine Überlagerung der –
Elektronen über das gesamte Molekül statt. 40
O O
R O CH2 R O CH2
+ H 2C
CH2
Abbildung Nr. 11: Wachstum der Kette41
Nachdem sich dieser Wachstumsprozess ständig wiederholt hat, kommt es zum Abbruch der
Reaktion, indem sich zwei Radikale zusammenlagern. 42
Als Produkt des Polymerisationsprozesses liegt ein makromolekulares Polymer aus Styrol und
Butadien fein verteilt vor. Die Struktur des Polymers wird in folgender Reaktionsgleichung
gezeigt:
43
Abbildung Nr. 12: Synthese von SBR
40
http://de.wikipedia.org/wiki/1,3-Butadien
41
Abbildung Nr. 11: Eigene Abbildung erstellt mit Che msketch nach Vo rlage mit
http://de.wikipedia.org/wiki/Poly merisation
42
http://www.chempage.de/theorie/radpoly.htm
43
Abbildung Nr.12: Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Vogel Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 205
13Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
5.3 Eigenschaften
Das Vulkanisat (Erklärung in Kapitel 5) des Styrol-Buta-1,3-dien-Kautschuks besitzt folgende
Eigenschaften:44
- Reißfestigkeit: etwa 7 bis 30 N/mm²
- Reißdehnung: 100-800%
- Hitzebeständigkeit: max. 100°
- Kältebeständigkeit: -50°
- Besserer Abriebwiderstand und bessere Alterungs-
beständigkeit als Naturgummi
- Isoliereigenschaft gegen Elektrizität
- Chemische Beständigkeit: siehe NR-Vulkanisate
- Niedrigere Elastizität, fester als Naturgummi
5.4 Anwendungsgebiete
Styrol-Butadienkautschuk gilt als Allzweckkautschuk, weshalb er auch der am häufigsten
45
verwendete Synthesekautschuk ist. Zwei Drittel der gesamten SBR-Produktion werden in
der Autoindustrie für die Herstellung von Reifen verwendet. Neben den technischen
Gummiwaren wie Walzenüberzüge, Bauprofile oder Förderbänder werden viele
Alltagsgegenstände hergestellt, wie zum Beispiel: Schuhsohlen, Absätze, Kabel, Schläuche,
Dichtungen, Matten oder Haushaltsartikel. Weiterhin wird SBR in flüssiger Latexform
vermarktet, um somit Teppichbeschichtungen, Schaumgummi oder Fassadenanstrichfarben
herzustellen. 46
6 Kautschukmischungen
Um ein später ein optimales Eigenschaftsbild des Vulkanisats zu erhalten, ist es notwendig, zu
dem Hauptbestandteil Kautschuk weitere Zusatzstoffe zu mischen.
44
Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 207/208
45
Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 25
46
Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Vogel Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 208 und
Georg Abts, Ein führung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 25/26
14Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
Zu diesen Stoffen gehören Füllstoffe, Pigmente, Weichmacher, Verarbeitungshilfsmittel,
Alterungsschutzmittel, Aktivatoren, Vulkanisationsverzögerer oder Vulkanisations-
beschleuniger. 47 Durch spezifische Mischungsverhältnisse kann man die mechanischen
Eigenschaften und das spätere Verarbeitungsverhalten des Vulkanisats beeinflussen.
Es gibt aktive und inaktive Füllstoffe. Die aktiven sind die verstärkenden Füllstoffe, deren
Oberfläche in Wechselwirkung mit den Kautschukmolekülen tritt und somit die Härte, den
Spannungswert, die Zugfestigkeit und die Abriebfestigkeit erhöhen. Inaktive Füllstoffe
verwendet man hauptsächlich als Streckmittel, damit der Kautschuk besser verarbeitet werden
kann. 48 Hauptsächlich werden Ruße als Füllmittel genutzt, wobei diese je nach Rußart sowohl
zu den aktiven, als auch zu den inaktiven Füllstoffen zählen können. Des Weiteren gibt es
viele anorganische Füllstoffe wie Kreide oder Kaolin und synthetische Füllstoffe wie zum
Beispiel Kieselsäure.
Rußhaltige Mischungen können ihre schwarze Färbung nicht verändern, währenddessen man
helle Mischungen mit anorganischen Pigmenten wie Eisenoxid oder Chromoxid einfärben
kann. Man nutzt anorganische Pigmente, da diese in Wasser, Fetten, Ölen und organischen
Lösungsmitteln unlöslich sind und somit die Färbung erhalten bleibt.
Ein weiterer wichtiger Zusatzstoff sind die Weichmacher. Diese können die Beweglichkeit
erhöhen, die Füllstoffverteilung verbessern, die Vulkanisateigenschaften beeinflussen und
auch den Preis der Mischung strecken oder mindern. Zur Streckung werden hierbei
Mineralöle eingesetzt. 49 Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Weichmacher die
Beweglichkeit der Polymerketten erhöhen und somit die Viskosität verringern sollen. 50
Die Einflüsse von Sauerstoff, UV-Licht und Ozon lassen viele Gummisorten altern, sodass sie
hart, spröde und rissig werden. Der Sauerstoff bzw. das Ozon greift an den Doppelbindungen
der ungesättigten Kautschukketten an. Durch Rekombination der Bruchstücke verhärtet sich
die Elastomerstruktur. Aus diesem Grund werden als Alterungsschutzmittel solche Stoffe
hinzugegeben, die Sauerstoff und Ozon abfangen können.
47
Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 53
48
Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 60-62
49
Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 57
50
Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 62
15Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
Am besten eignen sich hierfür Paraphenylendiamine, jedoch färben diese ab, weshalb man
aminische oder phenolische Alterungsschutzmittel nutzt.
Weitere wichtige Bestandteile sind Vulkanisationsmittel, welche in Kapitel 7.3. erklärt
werden. 51
7. Vulkanisation
7.1 Definition
Unter dem Begriff Vulkanisation versteht man ein Verfahren, bei dem aus unvernetzten
Kautschukpolymeren, dreidimensional vernetzte Elastomere werden.
Abbildung Nr. 13: Schematische Darstellung zu m Vernetzungssystem52
7.2 Entdeckung
Als Entdecker der Vulkanisation gilt der amerikanische Chemiker Charles Nelson Goodyear.
Dieser gab 1839 Schwefel und Bleiweiß zu der Kautschukmischung, sodass diese ihre
Klebrigkeit verlor. 53 Es war ein neuer, trockener und elastischer Stoff entstanden: das
Gummi. 54
1844 meldete Goodyear das Patent für sein Vulkanisationsverfahren an.
51
Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 66
52
Abbildung Nr. 13: Georg Abts , Einführung in die Kauts chuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 45
53
Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 22
54
http://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/gum-herst.htm
16Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
7.3 Vulkanisationsverfahren
Grundlage des Vulkanisierens ist das Verknüpfen der einzelnen Polymerstränge. Dies
geschieht durch die Zugabe von Schwefel. Durch die Verknüpfung wird die Form fixiert,
sodass die Elastomere nach ihrer Verformung wieder zurück in die ursprüngliche Form
kehren. Sie haben also eine Gummielastizität erhalten.
Dabei werden die im Polymer vorhandenen Doppelbindungen aufgespalten und dienen als
55
Verknüpfungsstellen. Dieser Prozess findet bei erhöhten Temperaturen statt. Die Anzahl
der Vernetzungsstelle ist dabei bestimmend für die Eigenschaften des Vukanisats. Mit
zunehmender Vernetzung nimmt der Spannungswert, die Zugfestigkeit, die Härte und die
Elastizität zu. Jedoch führt ein zu starkes Maß an Vernetzung dazu, dass das Material hart und
spröde wird. Deshalb liegt der Anteil der vernetzten Stellen nur bei 1-3%. 56
Abbildung Nr. 14: Vu lkan isation mit Schwefel57
Neben der Vernetzungsdichte ist auch die Temperatur und die Zeit ausschlaggebend für die
Vulkanisation. Da bei Raumtemperatur die Reaktion sehr langsam und schlecht verläuft, muss
mit hohen Temperaturen zwischen 140° und 200°C gearbeitet werden. Wichtig ist hierbei
jedoch zu wissen, dass man die Masse in die gewünschte Form bringen muss, bevor man die
Vulkanisation einleitet. Denn bereits ab einem Vernetzungsgrad von 10% sind die
Rückstellkräfte so groß, dass man die Masse nicht mehr verformen kann. Man nennt diesen
Zeitpunkt Anvulkanisationszeit t10 . Diese sollte möglichst lange sein, damit man noch Zeit
55
www.che mieunterricht.de/dc2/auto/gum-herst.htm
56
Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007 , S. 46
57
Abbildung Nr. 14: www.chemieunterricht.de/dc2/auto/gum-herst.htm
17Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
hat, um gegebenenfalls Formveränderungen durchzuführen. Die Vulkanisation wird bis zu
einen Grad von 90% vorangetrieben. Man nennt diesen Zeitpunkt Ausvulkanisationszeit t90 .
Durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit verbleibt Restwärme im Kern und sorgt für die
restliche Vulkanisation. Die Temperatur und Zeit richten sich dabei nach Art des Polymers
und außerdem nach Dicke der Materialschicht 58 .
Des Weiteren richten sich die Vulkanisateigenschaften nach der Dosierung des Schwefels.
Bei Verwendung von elementarem Schwefel erhält man eher langkettige Schwefelbrücken,
welche als polysulfidisch bezeichnet werden. Es ist jedoch auch möglich, nicht direkt mit
reinem Schwefel, sondern mit Schwefelspendern wie z.B. Dischwefeldichlorid 59 zu arbeiten.
Dadurch werden vorzugsweise kurze Schwefelbrücken erhalten, die man als mono- oder
disulfidisch bezeichnet. Polysulfidisch vernetzte Elastomere sind weniger wärmebeständig
jedoch besitzen sie eine höhere Beweglichkeit. Auch die Dosierung des Schwefels spielt eine
wichtige Rolle in Bezug auf die dynamischen Eigenschaften. 60
Bei einer geringen Menge an Schwefel (bis 3%) erhält man ein Weichgummi. Im Bereich von
5-20 Teilen Schwefel auf 100 Teile Kautschuk nimmt die Elastizität ab und man erhält
dadurch lederartige Produkte. Im Bereich von 25-40 Schwefelanteil erhält man stark
vernetztes und unelastisches Hartgummi. 61
Abbildung Nr. 15: Schematische Darstellung. Hartgu mmi und Weichgummi 62
58
Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 46-48
59
http://de.wikipedia.org/wiki/Dischwefeld ichlorid
60
Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 51
61
Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 205, S.45-46
62
Abbildung Nr. 15: Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gu mmi-Werkstoffe, Vogel Verlag, 1. Aufl. 1981, S.45
18Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
Außerdem werden verschiedene Vulkanisationsmittel benutzt, die sich in drei Gruppen
einteilen lassen.
Vulkanisationsbeschleuniger: Als effektive Vulkanisationsbeschleuniger werden organische
Substanzen verwendet, die den Schwefel aktivieren und somit die Vulkanisationszeit, die
Temperatur und den Schwefelverbrauch deutlich senken. 63
Aktivatoren: Als Aktivator wir hauptsächlich eine Mischung aus Zinkoxid und Stearinsäure
eingesetzt. Durch das Zusammenspiel von Aktivator und Beschleunigermolekülen wird dabei
die Wirksamkeit der Beschleuniger erhöht. 64
Vulkanisationsverzögerer: Ihre Funktion besteht darin, die Anvulkanisation zu verzögern
65
bzw. zu verhindern. Dadurch wird eine frühzeitige Vernetzung unterbunden.
63
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/
schwefel.vlu/Page/vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/zusaetz.vscml.ht ml
64
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/s chwefel.vlu/Page/
vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/zusaetz2.vscml.html
65
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/s chwefel.vlu/Page/
vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/zusaetz4.vscml.html
19Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
8 Nachwort
Die These „Gummi herstellen ist wie Kuchen backen“, welche mich dazu bewegt hatte,
Kautschuk als Thema für meine Jahresarbeit zu wählen, ist mir, nachdem ich mich nun
intensiv mit diesem Thema befasst habe, um einiges verständlicher. Zu Beginn der Arbeit
hatte ich einige Probleme mit den vielen neuen Fachwörtern, der Komplexität des Themas
und der Vielseitigkeit der Kautschukarten. Wenn man sich die einzelnen Schritte der
Gummiherstellung jedoch wie beim Backen von Kuchen vorstellt, lassen sich diese sehr
einfach wie bei einem Kuchenrezept gliedern.
Zuerst erstellt man den „Teig“. Der Kautschuk wird mit vielen „Zutaten“ wie Füllmitteln,
Weichmachern, Alterungsschutzmitteln und Vernetzungschemikalien zusammengemischt.
Damit das Ergebnis optimal wird, kneten spezielle Maschinen die Mischung durch. Mit der
klebrigen Kautschukmischung ist jedoch noch nichts anzufangen. Also in die richtige „Form“
bringen und ab in den „Ofen“. Um den „Kautschukkuchen“ zu festigen, muss man unter
Erhitzen Schwefel hinzugeben, sodass sich unter den Kautschukketten Schwefelbrücken
bilden. Zeigt der vernetzte Kautschuk elastische Eigenschaften auf, ist das Rezept geglückt
und fertig ist der Gummiwerkstoff. Je nach Bedarf können die Eigenschaften durch Variieren
der „Zutaten“ und „Backzeit“ verändert werden.
Ich denke, dass ich die Grundlagen über verschiedene Kautschukarten gut verstanden habe
und speziell in das Thema des Naturkautschuks und der Synthese von Styrol-Buta1,3-dien-
Kautschuk einen tieferen Einblick geben konnte. Insgesamt bin ich mit meiner Themenwahl
zufrieden und habe auch sehr viel dazu gelernt, nicht nur inhaltlich, sondern auch im Umgang
mit Fachliteratur. Im Nachhinein hätte ich gern selbst noch ein Mal den Versuch der
Gummiherstellung durchgeführt. Ansonsten habe ich alle Fragen beantworten können, und
finde, dass das Thema gut geeignet und sehr interessant für mich war.
20Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
9 Fachwortverzeichnis
Verwendetes Lexikon: http://de.wikipedia.org
Makromolekül sind sehr große Moleküle, weshalb sie auch als Riesenmoleküle
bezeichnet werden
Terpentin Öl aus Kiefern gewonnen, welches Harze, Lacke ect. löst
Koagulation Zusammenklumpen und Gerinnen eines Stoffes
Isopren Trivialname für den ungesättigten Kohlenwasserstoff
2-Methylbuta-1,3-dien.
konjugiert Konjugierte Doppelbindungen sind durch eine Einfachbindung getrennt;
die -Elektronen können sich dadurch über das gesamte
Doppelbindungssystem erstrecken.
delokalisiert Die Ladung ist nicht genau lokalisierbar, sondern über die Atome
verteilt.
cis-Trans-Isomerie Isomere, die sich durch die Stellung der Substituenten an der
Doppelbindung unterscheiden
Copolymerisat Polymere die aus mehr als einer Art Monomere entstehen.
Emulgatoren Emulgatoren sorgen dafür, dass nicht mischbare Stoffe miteinander
vermischt werden können und dass diese Emulsion sich nicht entmischt.
Mizellen Zusammenlagerung von Emulgatormolekülen in einer Flüssigkeit
(meistens Wasser). Die hydrophopen Teile ragen in die Mitte und die
hydrophilen Teile ragen nach außen zum Wasser
sp2 -hybridiesiert Die sp2 -Hybridisierung liegt vor, wenn das Kohlenstoffatom eine
Doppelbindung eingeht. Dabei überlagern sich zwei sp2 -Orbitale und
zwei energiereichere p-Orbitale zu einer Doppelbindung. Die vom p-
–Elektronen Orbital stammenden Elektronen nennt man -Elektronen. Bei diesen
Orbitalen handelt es sich um die Aufenthaltsräume der Elektronen
Bleiweiß Bleiweiß ist ein basisches Bleicarbonat, welches als Weißpigment
eingesetzt wird.
polysulfidisch Die Schwefelbrücke besteht aus mehreren Schwefelatomen.
21Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
10 Quellenverzeichnis
10.1 Literaturquellenverzeichnis
„Gummi-Werkstoffe – Ein Ratgeber für Anwender“, Herausgeber: Dr. phil. Khairi, Vogel-
Verlag, 1. Auflage, 1981
„Einführung in die Kautschuktechnologie“, Herausgeber: Dipl.-Ing. Georg Abts, Carl Hanser
Verlag München, 1. Auflage, 2007
„Kunststoffkompendium“, Herausgeber: Dr. Adolf Franck, Prof. Dr. Bern Herr, Dipl.-Ing.
Hans Ruse, Prof. Dr. Gerhard Schulz; Vogel Buchverlag, 7. Auflage, 2011
„Lehrbuch der Organischen Chemie“, Herausgeber: Hans Beyer, Wittko Francke und
Wolfgang Walter; S. Hirzel Verlag Stuttgart, 24., überarbeitete Auflage, 2004
„Die Kulturpflanzen der Tropen und Subtropen“, Herausgeber: Sigmund Rehm und Gustav
Espig, Ulmers Taschenbücher Verlag
10.2 Abbildungsverzeichnis
Abbildung Deckblatt: http://www.pappnase.com/artikelbilder/400/67001.jpg
*Abbildung 1: Eigene Abbildung nach Vorlage aus: Georg Abts, Einführung in
die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 4
*Abbildung 2: Eigene Abbildung nach Vorlage aus: Georg Abts, Einführung in
die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. /
Abbildung 3: http://www.dradio.de/images/53176/portrait/
*Abbildung 4: Eigene Abbildung erstellt mit Chemsketch nach Vorlage von
http://de.wikipedia.org/wiki/Isopren
Abbildung 5: http://kanubistanker.de/online-
shop/bilder/produkte/gross/Gummi-Stiefel-Cruising-blau-
Groesse-41.png
22Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
*Abbildung 6: Eigene Abbildung erstellt mit Chemsketch nach Vorlage von
http://de.wikipedia.org/wiki/Styrol und
http://de.wikipedia.org/wiki/1,3-Butadien
*Abbildung 7: Eigene Abbildung erstellt mit Chemsketch nach Vorlage durch
http://www.chemie.uni-
hamburg.de/bibliothek/2004/DissertationWinschel.pdf S, 12
Abbildung 8: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/98/
Thermal_degradation_of_persulfate.svg/620px-
Thermal_degradation_of_persulfate.svg.png
*Abbildung 9: Eigene Abbildung erstellt mit Chemsketch nach Vorlage von
Beyer - Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, S. Hirzel
Verlag Stuttgart, 24. Auflage, S. 733
Abbildung 10: Eigene Abbildung erstellt mit Chemsketch nach Vorlage durch
http://www.chempage.de/theorie/radpoly.htm
*Abbildung 11: Eigene Abbildung erstellt mit Chemsketch nach Vorlage mit
http://de.wikipedia.org/wiki/Polymerisation
Abbildung 12: Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gummi-Werkstoffe, Vogel Verlag, 1.
Aufl. 1981, S. 205
Abbildung 13: Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-
Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 45
Abbildung 14: www.chemieunterricht.de/dc2/auto/gum- herst.htm
Abbildung 15: Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gummi-Werkstoffe, Vogel Verlag, 1.
Aufl. 1981, S.45
*Anmerkung:
Die so gekennzeichneten Abbildungen lagen mir teilweise nur als gedruckte Version in
Büchern vor oder ich habe keine angepasste Abbildung gefunden. Deshalb habe ich mir das
Freewareprogramm Chemsketch 11.2 von ABC-Labs heruntergeladen. Mit diesem
Zeichnungsprogramm zum Erstellen chemischer Strukturen habe ich die passenden
Abbildungen aus dem Buch oder von Internetseiten nachgestellt und teilweise noch die
Stoffnamen ergänzt.
Alle Bilder aus dem Internet haben den Stand vom 12.04.2012
23Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker
10.3 Internetquellenverzeichnis
http://www.materialarchiv.ch/detail/7#/detail/7/natur-kautschuk
http://de.wikipedia.org/wiki/Monomer
http://www.ahauser.de/deutsch/services/Kautschukgeschichte/frame_kautschuk.htm
http://kanubistanker.de/online-shop/bilder/produkte/gross/Gummi-Stiefel-Cruising-blau-
Groesse-41.png
http://www.gummiroost.ch/pdf/formulare/Kautschuk_Geschichte.pdf
http://www.chemie.uni- hamburg.de/bibliothek/2004/DissertationWinschel.pdf
http://de.wikipedia.org/wiki/1,3-Butadien
http://www.chempage.de/theorie/radpoly.htm
http://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/gum- herst.htm
www.chemieunterricht.de/dc2/auto/gum- herst.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Dischwefeldichlorid
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/schwefel.vlu/Pa
ge/vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/vulkein.vscml.html
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