Vulkanisation

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Vulkanisierungswerkstatt
Vulkanisationskurve
Schematische Präsentation von zwei Polyisoprenketten (blau und grün) nach der Vulkanisation mit Schwefel (n = 0, 1, 2, 3 …). Die Polyisoprenketten sind hier über zwei Schwefelbrücken miteinander verknüpft.

Die Vulkanisation ist ein 1839 von Charles Goodyear entwickeltes chemisch-technisches Verfahren, bei dem Kautschuk unter Einfluss von Zeit, Temperatur und Druck gegen atmosphärische und chemische Einflüsse sowie gegen mechanische Beanspruchung widerstandsfähig gemacht wird.

Verfahren[Bearbeiten]

Zur Vulkanisation wird eine Kautschukmischung, bestehend aus Rohkautschuk, Schwefel oder schwefelspendenden Stoffen wie z. B. Dischwefeldichlorid (S2Cl2), Katalysatoren (zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit werden z. B. 2-Mercaptobenzothiazol oder Tetramethylthiuramdisulfid sowie Zinkoxid und Fettsäuren verwendet)[1] und Füllstoffen erhitzt. Vulkanisiert wird heutzutage meist mit 1,8 bis 2,5 % Schwefel und einer Temperatur von 120 bis 160 °C. Dabei werden die langkettigen Kautschukmoleküle durch Schwefelbrücken vernetzt. Hierdurch gehen die plastischen Eigenschaften des Kautschuks bzw. der Kautschukmischung verloren, der Stoff wird mittels des Verfahrens der Vulkanisation vom plastischen in einen elastischen Zustand überführt.[2]

Der bei diesem Verfahren entstehende Gummi hat gegenüber dem Ausgangsprodukt dauerelastische Eigenschaften, kehrt bei mechanischer Beanspruchung jeweils wieder in seine Ursprungslage zurück, hat eine höhere Reißfestigkeit, Dehnung und Beständigkeit gegenüber Alterung und Witterungseinflüssen.

Die Elastizität des Gummiwerkstoffs ist abhängig von der Anzahl der Schwefelbrücken. Je mehr Schwefelbrücken vorhanden sind, desto härter ist der Gummi. Die Anzahl der Schwefelbrücken ist wiederum abhängig von der zugesetzten Schwefelmenge und der Dauer der Vulkanisation.

Bei Alterung des Gummis werden die Schwefelbrücken durch Sauerstoffbrücken ersetzt; der Gummi wird brüchig und porös.

Neben der klassischen Schwefelvulkanisation erfolgt die Vernetzung von Kautschuken häufig auch mittels Peroxiden, Metalloxiden oder energiereicher Strahlung. Da die Vulkanisation mit Schwefel die Anwesenheit von Doppelbindungen erfordert, kommen besonders bei Kautschuken, die keine Doppelbindungen enthalten (z. B. EPM, EVA), diese Verfahren zum Einsatz. Metalloxide kommen u. a. bei der Vernetzung von Chloropren-Kautschuk zum Einsatz. Verbindungen wie Dibutylamin beschleunigen die Vulkanisation. Der Verlauf der Vulkanisation kann mit einem Prüf- bzw. Messgerät, dem Vulkameter oder auch einem einfachen Rheometer, gemessen und graphisch dokumentiert werden.

Die Vulkanisation von Chloropren-Kautschuk bzw. Neopren (CR-Kautschuk) erfolgt unter Verwendung von Metalloxiden (insbesondere MgO und ZnO, manchmal auch PbO). Darüber hinaus wird aufgrund anderer Verarbeitungsfaktoren (hauptsächlich ‚Scorch‘ oder ‚Versengen‘, wobei dies die vorzeitige Vernetzung von Kautschuken aufgrund des Einflusses von Wärme ist) die Auswahl von Beschleunigern durch andere Parameter geregelt. Die meisten herkömmlich verwendeten Beschleuniger sind problematisch, wenn CR-Kautschuke gehärtet werden. Als wichtigster Beschleuniger wird dafür Ethylenthioharnstoff (ETU) eingesetzt. Diese Substanz ist zwar ein hervorragender und bewährter Katalysator für Polychloropren, aber sie ist als fortpflanzungsgefährdend eingestuft. Die Europäische Gummiindustrie hat das Forschungsprojekt SafeRubber[3] gestartet, um eine sicherere Alternative zur Verwendung von ETU zu entwickeln.

Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Nitrilkautschuk (NBR) können auch rein thermisch vulkanisiert werden (Thermovulkanisation).

Vulkanisationsbeschleuniger[Bearbeiten]

Ultrabeschleuniger

Dithiocarbamate, Thiuram-disulfide und -monosulfide, Xanthogenate

Semiultrabeschleuniger / Halbultrabeschleuniger

Mercaptobenzothiazol und Aldehydamin-Kondensationsprodukte

Mäßig starke Beschleuniger

Dibenzothiazyldisulfid, Diarylguanidine wie Diphenylguanidin, Arylbiguanide wie o-Tolylbiguanid, Urotropin, Aldehydammoniak und die meisten Kondensationsprodukte aus aliphatischen Aldehyden und aromatischen Aminen

Schwache Beschleuniger

Triarylguanidine, Diarylthioharnstoffe und die Kondensationsprodukte aus Formaldehyd und aromatischen Aminen [4]

Literatur[Bearbeiten]

  • H.-W. Engels: Rubber, 4. Chemicals and Additives. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag 2004; (ausführliche Übersicht zu Gummi und Vulkanisation).

Weblinks[Bearbeiten]

 Wiktionary: Vulkanisation – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. M. D. Lechner, K. Gehrke und E. H. Nordmeier: Makromolekulare Chemie, 4. Auflage, Birkhäuser Verlag, 2010, S. 485, ISBN 978-3-7643-8890-4.
  2. Joachim Buddrus: Grundlagen der Organischen Chemie, Walter de Gruyter Verlag, Berlin, 4. Auflage, 2011, S. 897, ISBN 978-3-11-024894-4.
  3. SafeRubber, an alternative for accelerators in the production of rubber
  4.  M. Bögemann: Zur Geschichte und Bedeutung der organischen Vulkanisationsbeschleuniger. In: Angewandte Chemie. 51, Nr. 8, 26. Februar 1938, S. 113–115, doi:10.1002/ange.19380510802 (PDF).