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Vulkanisation was ist das?

 

 
 
   
 

 

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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