Vom Naturkautschuk
zum Gummi
Das Ursprungsland des
Naturkautschuks ist der brasilianische Urwald auf dem südamerikanischen
Kontinent. Dort kommt Kautschuk in sehr hohen Anteilen (ca. 35%) in dem
weißlichen Saft eines Baumes namens Hevea brasiliensis vor. Schon
die Azteken ritzten die bis zu 60m hohen Pflanzen am Stamm an, um den
Saft, auch Latex oder Gummimilch genannt, zu gewinnen. Heutzutage
wird die Hevea brasiliensis weltweit im sogenannten Kautschukgürtel (30º nördl.Breite bis 30º südl.Breite) kultiviert, angebaut und regelmäßig
geerntet. Dabei wurde der Ertrag pro Pflanze pro Jahr von ursprünglich 2-4
kg auf bis zu 23 kg (mit Hilfe chemischer Stimulanzien)
gesteigert.
Der Kautschukgürtel - Anbau von Hevea
brasiliensis
Zum Ernten wird heute dem
Baumstamm gräten- oder schraubenartig ein Streifen Rinde entfernt, so dass
das Latex in darunter hängenden Eimer tropfen kann. Es wird dann in
größeren Behältern gesammelt und durch Zugabe von Säuren, meist Essig-,
Ameisen- oder Oxalsäure, zur Koagulation gebracht (Ausklumpen des
im Latex enthaltenen Eiweiß, in dem das Kautschuk eingelagert
ist).
Die sogewonnenen Rohkautschukklumpen werden
mehr oder weniger gründlich mit Wasser gewaschen, meist dabei mit anderen
Rohkautschuk-Sorten gemischt, um einigermaßen einheitliches
Naturkautschuk zu erhalten, dann entweder mit Friktionswalzen oder Gleichlaufwalzen und Waffelmuster zu dünnen Fellen gewalzt und
anschließend getrocknet und/oder geräuchert (je nachdem, ob es eine
Verarbeitung zu Pale crêpe oder zu Smoked sheets sein soll).
Als Ballen ist dieser Rohkautschuk fertig zum Versand.
Je nach Qualität und
Reinheit des Naturkautschuks wird dieser zu Einkochringen,
Milchschläuchen, Babysauger oder Kappen für Gärballons (hohe Qualität;
helle Farbe), zu Seitenwandmischungen für Hochgeschwindigkeitsreifen,
Schläuchen oder Förderbänder (mittlere Qualität; hell-bräunliche Farbe)
oder zu Laufflächengummi bei LKW- und PKW-Reifen (untere Qualität;
dunklere Farbe) verwendet.
Für letztere beiden wird dem
Naturkautschuk noch eine Reihe von anderen Stoffen zugemischt, dass sein
endgültiger Anteil vielleicht gerade mal 42% beträgt. So besteht nämlich
ein durchschnittlicher Reifen neben Naturkautschuk auch aus Synthesekautschuk (ca. 18%), Füllstoffen wie Ruß oder Silica (28%),
die die Abriebfestigkeit, Zugfestigkeit und Härte erhöhen, Peptisiermittel
zur besseren Vermischung (0,1%), Dispergiermittel zur besseren Verteilung
der Zutaten (1,2%), Alterungsschutzmittel (1,2%), Lichtschutzwachse
(0,9%), Weichmacher (3%), Vernetzungsmittel (meist Schwefel; 1,5%) und
Vulkanisationsbeschleuniger (0,6%) mit den Beschleunigeraktivatoren
(3%).
Das gesamte Gemisch wird dann schließlich in einer
Profilform als Polster auf eine Karkasse bei 150 bis 200ºC vulkanisiert.
Der Gummireifen ist fertig.
Die Chemie des
Kautschuks
Isopren, dessen chemischer
Name Methylbutadien ist, ist das Grundgerüst des Naturkautschuks. Es
besteht aus einer verzweigten Kohlenwasserstoffkette, die ungesättigt ist,
das heißt zwei Doppelbindungen besitzt und deshalb polymerisieren kann
(linkes folgendes Bild). Aufgrund der Tatsachen, daß Kohlenstoffatome, die
mit einer Einfachbindung zusammen gehalten werden, beliebig umeinander
verdreht werden können, während Doppelbindungen fixiert sind, und bei der
Polymerisation beide oder nur eine Doppelbindung verbraucht werden können,
ergeben sich für das Polyisopren vier Isomere: cis-1,4-Polyisopren,
trans-1,4-Polyisopren, 1,2-Polyisopren und 3,4-Polyisopren.
Monomere Form des Isoprens oder
Methylbutadien Polymere Isomere des
Isoprens
Bei den ersteren beiben
brechen beide Doppelbindungen auf, klappen teilweise zur Mitte hin und
bilden andererseits auch gleichzeitig die Polymerisationseinfachbindungen.
Die beiden letzteren Isomere verbrauchen nur eine Doppelbindung, die in
die Polymerisationskette einfließt (theoretisch könnte die andere
Doppelbindung in eine andere Kette integriert werden).
Da
all diese Isoprene von dem einen Monomer Methylbutadien stammen, kann
davon ausgegangen werden, daß es sich bei Polyisopren nicht um einen
homogenen Stoff handelt (z.B. nur cis-1,4-Polyisopren oder andere; Bilder
unten), sondern vielmehr um eine Mischung aus allen Isomeren (Bild
darunter).
 
Polyisopren als homogener Stoff?
Unwahrscheinlich
Polyisopren in seiner natürlichen, inhomogenen
Form
Beim Synthesekautschuk werden
ähnliche Moleküle benutzt, die allerdings alle in Erdölraffinerien
produziert werden. So dienen für den heute weitverbreiteten
Synthesekautschuk (SBR)Styrol (aus Benzol und Ethen unter Abgabe
eines Wasserstoffmoleküls) und Butadien als Grundmolekül. Auch bei
diesen Molekülen ist eine Polymerisation durch Aufbrechen und Umlagern von
Doppelbindungen möglich. Der so entstandene Kautschuk hat aber längst
nicht so gute mechanische (und andere) Eigenschaften wie
Naturkautschuk.
Grundstoffe des Synthesekautschuks SBR (engl. styrene butadiene
rubber)
Styrol-Butadien-Polymer-Kautschuk (SBR)
Man hat also nach weiteren Synthesekautschuken
gesucht, um die Eigenschaften des daraus hergestellten Gummis zu
optimieren. Hautzutage sind mehr als hundert verschiedene
Synthesekautschuke für meist (nur) ganz spezielle Anforderungen bekannt
(siehe Tabelle). So gibt es Säure/Lauge-beständige, hitzebeständige,
kälteelastische, druckdichte und abriebarme Kautschuke, die auf ihrem
Gebiet hervorragende Ergebnisse erzielen, aber in anderen Einastzgebieten
teilweise völlig versagen.
| Silikonkautschuk (Silastic)hitze-/kältebeständig |
VMQ |
| Fluorkautschuk (Fluorel)öl-/säure-/laugenbeständig |
FKM |
| Polyurethankautschuk (Adipren)hoher Abriebwiderstand |
EU |
| Epichlorhydrinkautschukozonresistent |
ECO |
| Styrol-Butadien-Kautschukgute Zugfestigkeit |
SBR |
Andere Synthesekautschuke und ihre
Eigenschaften
Deshalb wird dem Kautschuk vor
dem Vulkanisieren eine große Anzahl von Zusatzstoffen untergemischt, die
sicherstellen, daß das entstehende Gummi in vielen Gebieten zumindest
befriedigend ist, unabhängig von dem eigentlichen Grundmolekül des
jeweiligen Kautschuks (bzw. Kautschukmischungen, da bei z.B. Reifen schon
meist verschiedene Kautschuke (Naturkautschuk und etliche
Synthesekautsschuke) gemischt werden).
Es kommt also in
jedem Fall nur auf die richtige Mischung an, denn den optimalen
Kautschuk wird es wohl nie geben.
Vulkanisieren - eine
Zustandsänderung
Wie oben erklärt, wird durch
Zugabe von Säuren aus der Latex-Milch (bzw. den flüssigen Zutaten der
Synthesekautschuke) eine relativ feste, aber noch verformbare Masse, das
Kautschuk. Chemisch gesehen haben sich dabei die einzelnen,
freibeweglichen Moleküle (Butadien und Co) zu langen Ketten polymerisiert.
Diese Kohlenstoffketten haben Längen zwischen 50 und 350 Atome und sind
trotzdem noch relativ frei beweglich, da es keine Bindungen zwischen ihnen
gibt. Diese Masse (=Kautschuk) ist knetbar oder, wie die Chemiker sagen plastisch. Die Ketten können unter äußerer Einwirkung (z.B. Druck)
aneinander entlang fliessen, sind aber (wegen elektro-statischer
Anziehung) ein Festkörper. Gesucht ist aber ein anderer Zustand: Das
fertige Gummi soll elastisch sein, also einen Zustand haben, bei
der die Form stabil ist, es einfedern kann.
Kautschuk: plastischer Zustand (grüne Ringe sind Schwefel)
Um dies zu erreichen, müssen die Ketten
untereinander verbunden werden über chemische Brücken. Dabei hat sich
herausgestellt, daß sich Schwefel dafür am besten eignet. Der
Schwefel (in seiner natürlichen festen Form als S8-Molekül)
wird als Pulver dem Kautschuk untergemischt. Um nun die
Schwefelmolekülringe aufzubrechen und zwischen die Kautschukketten
einzulagern, wird viel Energie benötigt. Deshalb findet die Vulkanisation, der Übergang vom plastischen zum elastischen
Zustand, effektiv erst bei Temperaturen um 150ºC und Druck statt.
Untersuchungen haben dabei ergeben, daß die Schwefelringe auf- und
teilweise auch zerbrechen und sich zwischen den in den Kohlenstoffketten
noch vorhandenen Doppelbindungen anlagern. Dadurch können die Ketten bei
äußerer Einwirkung nicht mehr aneinander vorbei fliessen.
Gummi: elastischer Zustand (grüne Schwefelringe aufgebrochen und
zwischen die Doppelbindungen der Kohlenstoffketten eingelagert)
Vulkanisation am
Beispiel einer Schlauchreparatur
Bei einer
Reparatur tritt jetzt aber folgendes Problem auf: Das schon
durchvulkanisierte Gummi ist elastisch und das darin eingelagerte Schwefel
nicht mehr fließfähig, das heißt die Schwefelring-Bruchstücke können sich
nicht mehr zu den noch bestehenden Doppelbindungen im vulkanisierten Gummi
und den Doppelbindungen des neuen Kautschuks hin bewegen. Wie findet dann
eine Verbindung statt?
Genauere Untersuchungen haben nun
ergeben, daß sich auch tatsächlich (fast) keine Schwefelbrücken zwischen
altem und neuem Gummi gebildet haben. Die Haftung dazwischen basiert
ausschließlich auf Adhäsionskräfte, also Kräfte zwischen
verschiedenen oder zumindest getrennten Materialien, und nicht auf Kohäsionskräfte, die Kräfte innerhalb einer homogenen
Masse.
Adhäsions- und Kohäsionskräfte
Die Adhäsionskräfte halten nun zwei
Oberflächen zusammen, weil diese genau aufeinander passen, ein Ziehen
zwischen ihnen also ein Vakuum erzeugen würde, was die Oberflächen
zusammen zieht. Vergrößert man nun die Oberflächen (zum Beispiel durch
Aufrauhen), dann sind die Adhäsionskräfte auch größer.
Adhäsionskräfte bei der Vulkanisation
Darauf basiert auch die
Schlauchreparatur. Nach dem Auffinden des Loches wird die Oberfläche
angerauht. Um zu verhindern, daß sich nun in die Rillen der Rauhnarbe Luft einschließt, wenn man die Stelle mit neuem
Rohkautschuk belegt, wird die aufgerauhte Stelle mit Gummi-Lösung (in Benzol aufgelöstes Rohgummi bzw. Reifenkautschuk) eingestrichen.
Dieses Einstreichen verschließt die tiefen Rillen und sorgt zusätzlich
dafür, daß das neue Kautschuk bis zum Vulkanisieren auf dem alten Gummi
klebt.
Altgummi aufrauhen, bestreichen und mit Rohgummi belegen
Dann wird die Stelle in eine passende
Heizform geklemmt und unter Druck auf 130ºC bis 170ºC erhitzt. Die
Heizzeit hängt von der Dicke des zu vulkanisierenden Rohgummis ab (etwa 2
bis 5 Minuten pro Millimeter). Beim Vulkanisieren brechen nun die
Schwefelringe im Rohgummi und in der getrockneten Gummi-Lösung auf und
verbinden deren Kohenstoffketten. Die so entstandene Oberfläche des neuen
Gummis paßt genau auf die Rauhnarbe des alten Gummis.
nach der Vulkanisation (große Oberfläche; kein Lufteinschluß)
Diese Verbindung läßt sich nicht durch
Zug- oder Reibungskräfte trennen, der Schlauch ist
repariert.
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