Einführung in die Kautschuktechnologie E-Book

Georg Abts

• Herausgeber: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 377

Veröffentlichungsjahr: 2025

Beschreibung

Eine große Zahl heute selbstverständlich erscheinender Anwendungen ist ohne das breite Spektrum moderner Elastomere nicht denkbar, sie erfüllen vielfältige Funktionen. Die Herstellung eines Elastomerwerkstoffs erfordert nicht nur Kenntnisse über die einzelnen Komponenten, sondern auch große Erfahrung hinsichtlich ihrer Wechselwirkungen untereinander. Das Wissen über die korrekte Verarbeitung eines solch komplexen Stoffgemisches ist eine weitere Grundvoraussetzung für das gewünschte Eigenschaftsprofil eines Elastomerwerkstoffs. Im Gegensatz zu thermoplastischen Werkstoffen sind Mischungsaufbau und Verarbeitung von Kautschuken wesentlich komplexer. Der Weg vom Kautschuk zum fertigen Elastomererzeugnis beginnt zunächst mit der Auswahl des geeigneten Kautschuks und der Komposition einer spezifischen Rezeptur für die jeweilige Anwendung und das hierfür prädestinierte Verarbeitungsverfahren. Diese dritte Auflage enthält eine Reihe von Aktualisierungen, z. B. bei den Marktzahlen, sowie Korrekturen und andere Verbesserungen. Sie ist jetzt auch in Farbe gedruckt.

Leseprobe

Georg Abts

Einführung in die Kautschuktechnologie

3., überarbeitete Auflage

Print-ISBN:        978-3-446-48381-1E-Book-ISBN:   978-3-446-48432-0E-Pub-ISBN:     978-3-446-48563-1

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© 2025 Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, MünchenKolbergerstraße 22 | 81679 München | [email protected]: Dr. Mark SmithHerstellung: Cornelia SpeckmaierCoverkonzept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, MünchenCovergestaltung: Max KostopoulosTitelmotiv: © Mit freundlicher Genehmigung von Weber & Schaer GmbH & Co. KG, HamburgSatz: Eberl & Koesel Studio, Kempten

Dieses Buch ist meinem Vater Gerhard Abts gewidmet (1932 – 2018).

Der Autor

Dipl.-Ing. Georg Abts arbeitete nach seinem Studium 20 Jahre in der damaligen Abteilung Anwendungstechnik des Geschäftsbereichs Kautschuk der Bayer AG, Leverkusen. Danach wechselte er in den Geschäftsbereich Polycarbonates der Covestro AG (ehemals Bayer MaterialScience AG), blieb aber dem Werkstoff Kautschuk gemäß dem Motto „Dem Gummi geht keiner verloren“ immer verbunden. Er wirkte aktiv in verschiedenen nationalen und internationalen Arbeitskreisen mit, etwa im CAMPUS-Arbeitskreis, und blickt heute auf eine 40-jährige Erfahrung mit polymeren Werkstoffen zurück.

Vorwort

Gummi klebt und verdirbt den Charakter

(Julius Peter)

Die Entdeckung der Vulkanisation von Kautschuken zu Gummi und damit die Entwicklung leistungsfähiger Elastomere haben den technischen Fortschritt vielleicht ebenso nachhaltig beeinflusst wie die Erfindung des Rades, der Dampfmaschine und die Nutzung der Elektrizität.

Häufig werden Elastomere jedoch nur mit Autoreifen in Verbindung gebracht. Dort übertragen sie enorme Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte und erlauben durch das eingeschlossene Luftpolster komfortables Fahren. Dabei ist eine große Zahl heute selbstverständlich erscheinender Anwendungen ohne das breite Spektrum moderner Elastomere überhaupt nicht denkbar. Sie erfüllen vielfältige Funktionen, jedoch meist im Verborgenen, und werden daher oft unterschätzt oder gar vernachlässigt. So verhindern etwa Dichtungen das Austreten fester, flüssiger oder gasförmiger Stoffe. Schläuche und Förderbänder sind unverzichtbare flexible Bestandteile von Transportsystemen. Antriebsriemen übertragen Kräfte, Zahnriemen steuern Ventile, Bau- und Motorlager dämpfen Vibrationen und Stöße und Kabelmäntel isolieren gegen elektrische Spannungen. Um ihre Aufgaben zuverlässig zu erfüllen, müssen Elastomere nicht nur gute mechanische Eigenschaften, meist verbunden mit hoher dynamischer Belastbarkeit, sondern oft auch Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse wie Hitze und/oder Kälte, UV-Licht oder Ozon sowie gegen verschiedenste Chemikalien aufweisen.

Die Herstellung eines Elastomerwerkstoffs erfordert nicht nur Kenntnisse der einzelnen Komponenten, sondern auch eine große Erfahrung hinsichtlich ihrer Wechselwirkungen untereinander. Das Wissen über die korrekte Verarbeitung eines solchen komplexen Stoffgemisches ist eine weitere Grundvoraussetzung für das Erreichen des gewünschten Eigenschaftsprofils eines Elastomerwerkstoffs.

Im Gegensatz zu thermoplastischen Werkstoffen sind Mischungsaufbau und Verarbeitung von Kautschuken wesentlich komplexer. Thermoplastgranulate sind mehr oder weniger für die gewählte Anwendung maßgeschneidert, sie enthalten in der Regel bereits alle notwendigen Additive und müssen beim Verarbeiter im Prinzip nur noch durch Aufschmelzen unter genügend hohem Druck in die gewünschte Geometrie überführt werden, die sie nach dem Abkühlen beibehalten. (Für eine detaillierte Beschreibung der Thermoplasten und ihrer Verarbeitung sei auf mein Buch Kunststoff-Wissen für Einsteiger verwiesen.)

Demgegenüber beginnt der Weg vom Kautschuk zum fertigen Elastomererzeugnis zunächst mit der Auswahl des geeigneten Kautschuks und der Komposition einer spezifischen Rezeptur für die gewünschte Anwendung und das hierfür prädestinierte Verarbeitungsverfahren. Die jeweiligen Rezepturbestandteile müssen sorgfältig aufeinander abgestimmt sein, da sie sich teilweise gegenseitig in ihrer Wirkung beeinflussen. Weiterhin müssen Fließfähigkeit und Vernetzungsgeschwindigkeit an das jeweilige Verarbeitungsverfahren angepasst sein, welches durch die Funktion und damit durch die Gestalt des Elastomerwerkstoffs festgelegt ist. Zusammen mit den korrekt gewählten Verarbeitungs- und Vulkanisationsbedingungen sind dies die entscheidenden Parameter für den optimalen Einsatz der schließlich hergestellten Elastomere.

Mit dieser nun in dritter Auflage vorliegenden Einführung in die Kautschuktechnologie sollen die oben genannten Zusammenhänge erläutert und damit das grundlegende Verständnis für diese doch sehr spezielle und hochkomplexe Technologie vermittelt werden, die zuweilen an Alchemie erinnern mag. Tatsächlich wird aber, aufgrund deutlich erkennbarer Analogie bei der Verarbeitung, die Kautschuktechnologie oft mit dem Bäckerhandwerk verglichen. Nach einem historischen Rückblick und der Darstellung der wirtschaftlichen Bedeutung folgt eine Einführung in das Gebiet der Polymere sowie in die Spezifika elastomerer Werkstoffe. Anschließend werden die Eigenschaften der einzelnen Elastomere erläutert. Danach werden der Aufbau von Kautschukmischungen sowie die hierbei verwendeten Zuschlagstoffe vorgestellt. Schließlich werden die üblichen Verarbeitungsverfahren sowie die wichtigsten Prüfmethoden erläutert. Abgerundet wird das Buch mit einer Darstellung typischer Produkte sowie einer kurzen Darstellung der Recyclingoptionen.

Hinsichtlich der geschichtlichen Entwicklung ist zu berücksichtigen, dass die genannten Jahreszahlen in einigen Fällen mit einer gewissen Ungenauigkeit behaftet sind. Die Zeitpunkte der Entdeckung, Veröffentlichung oder Patentierung oder der industriellen Umsetzung stimmen in den verwendeten Quellen nicht immer überein. Hinweise sowie Anregungen und Kommentare zum Inhalt werden gerne entgegengenommen.

An dieser Stelle möchte ich mich bei folgenden Firmen für die Überlassung von Bildmaterial bedanken:

       Gerlach Maschinenbau GmbH, Nettetal

       GÖTTFERT Werkstoff-Prüfmaschinen GmbH, Buchen

       Harburg-Freudenberger Maschinenbau GmbH, Freudenberg

       Klöckner DESMA Elastomertechnik GmbH, Fridingen

       KraussMaffei Berstorff GmbH, Hannover

       TROESTER GmbH & Co. KG, Hannover

       WEBER & SCHAER GmbH & Co. KG, Hamburg

       Zwick Roell AG, Ulm

Mein ganz besonderer Dank für tatkräftige Unterstützung gilt Frau Dr. Stephanie Waschbüsch, Frau Dr. Veronika Beer sowie Herrn Michael Berthel vom WdK. Weiterhin bedanke ich mich bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Hanser Verlags, insbesondere Dr. Mark Smith für seine Unterstützung als Lektor sowie Frau Rebecca Wehrmann und Frau Cornelia Speckmaier für die Umsetzung und Produktion dieses Buches.

Inhalt

Titelei

Impressum

Inhalt

Der Autor

Vorwort

1 Einleitung

1.1 Historische Entwicklung

1.2 Wirtschaftliche Bedeutung

2 Grundlagen

2.1 Vom Monomer zum Polymer

2.2 Weitere Verknüpfungsarten

2.3 Arten polymerer Werkstoffe

2.3.1 Übersicht

2.3.2 Rheologisches Verhalten

2.3.3 Temperaturabhängige Charakteristik

2.3.4 Elastomere

2.3.5 Thermoplaste

2.3.6 Thermoplastische Elastomere

2.3.7 Duroplaste

3 Die Vernetzung von Kautschuken zu Elastomeren

3.1 Grundlagen

3.2 Die Vernetzung mit Schwefel

3.3 Die Vernetzung mit Peroxiden

3.4 Weitere Vernetzungsarten

4 Auswahlkriterien für die wichtigsten Kautschuke

4.1 Übersicht und Nomenklatur

4.2 Mechanische und dynamische Eigenschaften

4.3 Alterungs- und Witterungsbeständigkeit

4.4 Wärmebeständigkeit

4.5 Chemische Beständigkeit

4.6 Kälteflexibilität

4.7 Abrieb und Verschleiß

4.8 Der Kostenfaktor

5 Spezifische Eigenschaften der verschiedenen Elastomere

5.1 Einleitung

5.2 Naturkautschuk, NR

5.3 Isoprenkautschuk, IR

5.4 Styrol-Butadien-Kautschuk, SBR

5.5 Butadienkautschuk, BR

5.6 Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (Nitrilkautschuk), NBR

5.7 Hydrierter Nitrilkautschuk, HNBR/NBM

5.8 Chloroprenkautschuk, CR

5.9 Butylkautschuk/Brombutylkautschuk/Chlorbutylkautschuk, IIR/BIIR/CIIR

5.10 Chloriertes/Chlorsulfoniertes Polyethylen, CM/CSM

5.11 Ethylen-Propylen-(Dien)-Kautschuk, EPM/EPDM

5.12 Ethylen-Vinylacetat-Kautschuk, EVM

5.13 Acrylatkautschuk, ACM

5.14 Ethylen-Acrylat-Kautschuk, AEM

5.15 Chlorhydrinkautschuk/Epichlorhydrinkautschuk, CO/ECO/GECO

5.16 Silikonkautschuk, VMQ/PVMQ/FVMQ

5.17 Fluorkautschuk, FKM/FFKM/FEPM/AFMU

5.18 Norbonenkautschuk, NOR

5.19 Polysulfidkautschuk, T/OT

5.20 Polyurethankautschuk AU/EU

5.21 Sonstige

5.22 Zusammenfassender Vergleich

6 Thermoplastische Elastomere, TPE

6.1 Übersicht und Nomenklatur

6.2 Spezifisches Eigenschaftsprofil

6.2.1 Thermoplastische Elastomere auf Basis von Polyetheramiden (TPA)

6.2.2 Thermoplastische Elastomere auf Basis Polyetherester (TPC)

6.2.3 Unvernetzte (TPO) und vernetzte (TPV) thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis

6.2.4 Thermoplastische Elastomere auf Styrolbasis (TPS)

6.2.5 Thermoplastische Polyurethan-Elastomere (TPU)

7 Kautschukchemikalien

7.1 Aufbau von Kautschukmischungen (Compounding)

7.2 Vernetzungssysteme

7.2.1 Vernetzung mit Schwefel

7.2.1.1 Vulkanisationsbeschleuniger und Schwefelspender

7.2.1.2 Vernetzungsaktivatoren

7.2.1.3 Vulkanisationsverzögerer (Retarder)

7.2.2 Peroxidvernetzung

7.2.3 Vernetzung mit Metalloxiden

7.2.4 Weitere Vernetzungsarten

7.3 Füllstoffe

7.3.1 Ruße

7.3.2 Kieselsäuren

7.3.3 Weitere Füllstoffe

7.4 Weichmacher und Verarbeitungshilfsmittel

7.4.1 Mineralölweichmacher

7.4.2 Synthetische Weichmacher

7.4.3 Verarbeitungshilfsmittel

7.5 Alterungs- und Ozonschutzmittel

7.6 Haftmittel

7.7 Mastizierhilfsmittel

7.8 Treibmittel

7.9 Sonstige Produkte

8 Die Verarbeitung von Kautschuk und Kautschukmischungen

8.1 Übersicht

8.2 Mastikation von Naturkautschuk

8.3 Mischen

8.3.1 Mischen im Innenmischer

8.3.2 Mischen auf dem Walzwerk

8.4 Formgebung und Vulkanisation

8.4.1 Pressverfahren

8.4.1.1 Kompressionsverfahren (Compression-Molding)

8.4.1.2 Transferpressverfahren (Transfer-Molding)

8.4.1.3 Spritzgießverfahren (Injection-Molding)

8.4.1.4 Spritzprägeverfahren (Injection-Transfer-Molding)

8.4.2 Extrusion und kontinuierliche Vulkanisation

8.4.2.1 Extrusion

8.4.2.2 Kontinuierliche Heißluftvulkanisation

8.4.2.3 Kontinuierliche Dampfvulkanisation

8.4.2.4 Kontinuierliche Heißgasvulkanisation

8.4.2.5 Salzbadvulkanisation (LCM – Liquid-Curing-Medium)

8.4.2.6 Vulkanisation im Fließbett (Fluid-Bed)

8.4.2.7 Vernetzung durch energiereiche Strahlen

8.4.2.8 Extrusion und Vulkanisation von verstärkten Schläuchen

8.4.2.9 Beflocken von Profilen

8.4.3 Kalandrierte Artikel

8.4.4 Vulkanisation im Autoklaven (Freiheizung)

8.4.5 Vulkanisation mit heißem Wasser

8.4.6 Tempern

8.5 Artikelbezogene Spezialverfahren

8.5.1 Walzenbeläge

8.5.2 Antriebs- und Zahnriemen

8.5.3 Reifen

8.5.4 Moos-, Zell- und Schwammgummi

8.6 Die Verarbeitung und Anwendung von Latex

9 Prüfung von Kautschukmischungen und Elastomeren

9.1 Rheologische Prüfungen

9.1.1 Mooney-Viskosität und Mooney-Relaxation (DIN 53523, ISO 289)

9.1.2 Anvulkanisation (DIN 53523, ISO 289)

9.1.3 Bestimmung der Vernetzungsisotherme (DIN 53529)

9.2 Mechanische Prüfungen

9.2.1 Bestimmung der Härte (ISO 7619, ISO 48)

9.2.2 Zugversuch (ISO 37)

9.2.3 Rückprallelastizität (ISO 4662)

9.2.4 Weiterreißwiderstand (ISO 34)

9.2.5 Druckverformungsrest (ISO 815)

9.2.6 Abriebwiderstand (ISO 4649, ISO 5470, ASTM D394)

9.3 Dynamische Prüfungen

9.3.1 Zermürbungsprüfungen

9.3.2 Ermüdungsprüfungen

9.4 Alterung und chemische Beständigkeit

9.5 Kälteflexibilität

10 Typische Produkte

10.1 Formteile

10.1.1 O-Ringe

10.1.2 Faltenbälge und Schutzkappen (Manschetten)

10.1.3 Wellendichtringe und Gleitringdichtungen

10.1.4 Federelemente: Puffer und Schwingungsdämpfer

10.2 Schläuche

10.3 Profile

10.4 Antriebs- und Steuerriemen

10.5 Transportbänder (Fördergurte)

10.6 Walzenbeläge

10.7 Kabel

10.8 Beschichtete Gewebe

10.9 Reifen

11 Anhang

11.1 Chemische Beständigkeit von Elastomeren

11.2 Weiterführende Fachliteratur

11.3 Fachinformationen

11.4 Verbände und Institute

11.5 Studiengänge

12 Zum Recycling von Elastomererzeugnissen

1Einleitung

2Grundlagen

Der Chemical Abstracts Service (CAS) registrierte Anfang des Jahres 2025 etwa 219 Millionen chemischer Verbindungen, davon zählen rund 98 % zu den organischen Verbindungen. Dies sind im Wesentlichen Verbindungen des Kohlenstoffs mit Wasserstoff (Kohlenwasserstoffe)