Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker … · 4.1 Geschichte Seite 6 4.2 Gewinnung aus...

Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker

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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


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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


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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


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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 ,Gummi-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/Ruse/Schulze, Kunsts toff Kompendium, Vogel Buchverlag, 7. Aufl. 2011, S. 16 5 Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gummi-Werkstoffe, Vogel Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 34 6 Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gummi-Werkstoffe, Vogel Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 18 7 http://www.materialarchiv.ch/detail/7#/detail/7/natur-kautschuk 8 Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 1-2


5

3 Grundlagen

3.1. Monomere und Polymere

Der Begriff Monomer leitet sich vom griechischen mono „einzeln“ und meros „Teil“ ab9. 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 Polymer10

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.

9http://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


6

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 ,Gummi-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 ,Gummi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 21


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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. 319

14 http://www.ahauser.de/deutsch/services/Kautschukgeschichte/frame_kautschuk.htm 15 Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gummi-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 Kulturpflan zen der Tropen und Subtropen, Ulmers Taschenhandbücher, S. 343 18 Reh m/Espig, Die Kulturpflan zen der Tropen und Subtropen, Ulmers Taschenhandbücher, S. 348


8

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

CH2CH2

CH3

CH3

CH3CH3

CH3

n

Isopren (2-Methylbuta-1,3-dien) cis-Polyisopren = Naturkautschuk

Abbildung Nr. 4 : Isopren des Naturkautschuks20

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 vor21. 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

19Abbildung 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 ,Gummi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S.202


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Nicht beständig gegen Mineralöle und –fette, Treibstoffe, aliphatische, aromatische

und chlorierte Kohlenwasserstoffe, sowie oxiderende Medien (z.B. HNO3, 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“ genannt26. 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 Synthesekautschuk27. Seit 1960 übersteigt die Produktion von

Synthesekautschuk die des Naturkautschuks. Der weltweite Kautschukverbrauch ist seit 1960

23 Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gummi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 203 24Abbildung 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/Kautschuk_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/Kautschuk_Geschichte.pdf


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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 Copolymerisat, also ein aus verschiedenen Monomeren

zusammengesetztes Polymer. Diese sind hier Styrol und Buta-1,3-dien.

CH2CH2

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

sind31. Der Vernetzung der emulgierten Monomere liegt im folgendem Verlauf der

Mechanismus der radikalischen Polymerisation zugrunde.

28http://www.gu mmiroost.ch/pdf/formulare/Kautschuk_Geschichte.pdf 29Abbildung 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 31http://www.chemie.uni-hamburg.de/bibliothek/2004/DissertationWinschel.pdf


11

Abb. Nr. 7 Mizelle mit

eingelagerten Monomeren32

Als Emulgatoren kommen hierbei folgende Verbindungen in Frage33:

- 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 Persulfat35

32Abbildung 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 33Beyer - Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 24. Auflage, S. 733 34Beyer - Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 24. Auflage, S. 733 35Abbildung 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


12

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

R

O

O

R Fe2+

Fe3+

O

O

R

O

O-

R+ + +

Diacylperoxid Radikal

Abb Nr. 9: Radikalb ildung37

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

O

RCH2 CH2

O

O

R

+

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-

36Beyer - 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 39Abbildung Nr. 10: Eigene Abbildung erstellt mit Che msketch nach Vorlage durch http://www.chempage.de/theorie/radpoly.htm


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Atome sind sp2-hybridiesiert und es findet wie beim Isopren eine Überlagerung der –

Elektronen über das gesamte Molekül statt.40

CH2

O

OR

CH2CH2

O

OR 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:

Abbildung Nr. 12: Synthese von SBR43

40http://de.wikipedia.org/wiki/1,3-Butadien 41Abbildung Nr. 11: Eigene Abbildung erstellt mit Che msketch nach Vorlage mit http://de.wikipedia.org/wiki/Polymerisation 42 http://www.chempage.de/theorie/radpoly.htm 43Abbildung Nr.12: Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gummi-Werkstoffe, Vogel Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 205


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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

verwendete Synthesekautschuk ist. 45 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 ,Gummi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 207/208 45 Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 25 46Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gummi-Werkstoffe, Vogel Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 208 und Georg Abts, Ein führung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 25/26


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Zu diesen Stoffen gehören Füllstoffe, Pigmente, Weichmacher, Verarbeitungshilfsmittel,

Alterungsschutzmittel, Aktivatoren, Vulkanisationsverzögerer oder Vulkanisations-

beschleuniger. 47Durch 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 ,Gummi-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 ,Gummi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 57 50 Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 62


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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 zum 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 52Abbildung Nr. 13: Georg Abts , Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 45 53 Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gummi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 22 54 http://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/gum-herst.htm


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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

Verknüpfungsstellen. Dieser Prozess findet bei erhöhten Temperaturen statt. 55 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: Vulkan 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.chemieunterricht.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


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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 Materialschicht58.

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. Dischwefeldichlorid59 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. Hartgummi und Weichgummi62

58 Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Hanser-Verlag, 1. Aufl. 2007, S. 46-48 59http://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 ,Gummi-Werkstoffe, Voge l Verlag, 1. Aufl. 1981, S. 205, S.45-46 62Abbildung Nr. 15: Dr. phil. Khairi Nagdi ,Gummi-Werkstoffe, Vogel Verlag, 1. Aufl. 1981, S.45


19

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

bzw. zu verhindern. Dadurch wird eine frühzeitige Vernetzung unterbunden. 65

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.html 64 http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/schwefel.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/schwefel.vlu/Page/ vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/zusaetz4.vscml.html


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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.


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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

–Elektronen

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-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.


22

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


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*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


24

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/Page/vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/vulkein.vscml.html

Jahresarbeit zum Thema Kautschuk von Kristin Becker … · 4.1 Geschichte Seite 6 4.2 Gewinnung aus...

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