Vulkanisation
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
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[2] 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.[3]
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[4] 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
- 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[5]
Lehrberuf
Vulkanisierung ist ein in Österreich anerkannter Lehrberuf mit einer Lehrzeit von drei Jahren. Gelernte Vulkaniseure/Vulkaniseurinnen werden meist im Reifenservice beschäftigt. Aufgrund weitgehender Automatisierung bzw. Mechanisierung in der Reifenherstellung liegt die Hauptaufgabe im Berufsbild in der Reparatur, Wartung und Runderneuerung von Reifen.
Literatur
- 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
Einzelnachweise
- ↑ M. D. Lechner, K. Gehrke und E. H. Nordmeier: Makromolekulare Chemie, 4. Auflage, Birkhäuser Verlag, 2010, S. 485, ISBN 978-3-7643-8890-4.
- ↑ Karlheinz Biederbick: Kunststoffe, Vogel-Verlag, 4. Auflage, 1977, S. 82, ISBN 3-8023-0010-6.
- ↑ Joachim Buddrus: Grundlagen der Organischen Chemie, Walter de Gruyter Verlag, Berlin, 4. Auflage, 2011, S. 897, ISBN 978-3-11-024894-4.
- ↑ SafeRubber, an alternative for accelerators in the production of rubber
- ↑ M. Bögemann: Zur Geschichte und Bedeutung der organischen Vulkanisationsbeschleuniger. In: Angewandte Chemie. Band 51, Nr. 8, 26. Februar 1938, S. 113–115, doi:10.1002/ange.19380510802 (PDF).