Was von vielen Menschen als Gummi bezeichnet wird, ist in Wirklichkeit ein besonderer Stoff namens Elastomer. Dieser Stoff weist die für gummiartige Materialien typischen Eigenschaften wie Verformbarkeit und Elastizität auf. Ohne diese Materialien mit ihren besonderen Eigenschaften könnten viele technische Einrichtungen und Gegenstände nicht in der Form hergestellt werden, wie wir sie heute kennen.

Elastomere Definition

Elastomere sind besondere Grundstoffe, die in der Lage sind, ihre Form reversibel zu ändern. Zu verdanken haben die Stoffe diese Eigenschaft ihrer hohen Elastizität, die auf charakteristisch verdrillte Polymerketten zurückzuführen ist.
Es handelt sich also um auseinanderziehbare und verformbare Stoffe, die aber ihre ursprüngliche Gestalt wieder einnehmen, sobald keine Kraft mehr auf sie einwirkt.

Elastomere Eigenschaften

Eine herausragende Eigenschaft der Elastomere ist sicherlich ihre besondere Elastizität und Formfestigkeit. Die Stoffe haben die Fähigkeit, nach einer möglichen Verformung, die in der Regel durch relativ geringe Kräfte ermöglicht wird, in ihre ursprüngliche Form und Gestalt zurückzukehren. Die als Elastomer bekannten Stoffe werden oft umgangssprachlich als Gummi bezeichnet. Es handelt sich bei Gummi jedoch nur um eine einzige Kunststoffart aus der Gruppe der Elastomere.

Physikalische Eigenschaften

Die Elastizität von Elastomeren ist auf bestimmte physikalische Eigenschaften zurückzuführen. Eine davon ist die, dass die Molekülketten der Stoffe besonders weitmaschig und auf besondere Art und Weise miteinander verknäuelt und vernetzt sind.
Die Polymerketten in den Materialien sind in der Lage, auf eine Zugbelastung oder Streckung zu reagieren, indem sie sich in Zugrichtung anordnen und entflechten. Fällt die Zugbelastung oder statische Belastung jedoch weg, entspannen sich die Ketten wieder und kehren in ihren ursprünglichen Zustand zurück, der als knäuelartig bezeichnet werden kann.
Zur Verbesserung der Gleitfähigkeit der Ketten unter Zug werden diese durch Vulkanisation mittels Schwefelbrücken miteinander verbunden. Die charakteristischen Eigenschaften von Elastomeren lassen sich durch die Dosierung des Schwefels während der Vulkanisation wesentlich beeinflussen. Wird beispielsweise viel Schwefel hinzugegeben, entsteht ein hartes Material, bei der Zugabe von nur wenig Schwefel hingegen ein sehr weiches Material.

Mechanische Eigenschaften

Elastomere Kunststoffe sind in der Lage, mechanische Energie zu speichern, da sie stets das Bestreben haben, in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Durch eine Zugbelastung oder Druckbelastung findet eine reversible Veränderung der Form statt.
Allerdings kann diese Formveränderung nur bis zu einem bestimmten Druck bzw. bis zu einer bestimmten Dehnung stattfinden, ohne dass das Material Schaden nimmt und irreversibel geschädigt wird. Wie diese Überdehnung aussieht, weiß jeder, der schonmal ein ausgeleiertes Gummiband in der Hand hatte, oder dem ein Gummiring bei zuviel Spannung gerissen ist. Auf Molekülebene zeigt sich die Überdehnung darin, dass Vernetzungen zerstört werden.

Thermische Eigenschaften

Eine sehr wichtige Eigenheit von den Elastomeren besteht darin, dass sie nicht ohne Weiteres geschmolzen werden können. Außerdem sind sie nur innerhalb bestimmter Temperaturbereiche elastisch. So verlieren sie bei extrem niedrigen Temperaturen die Fähigkeit, ihre ursprüngliche Form wieder einzunehmen. Bei Kälte werden sie hart und spröde, während sie bei erhöhter Temperatur an Elastizität gewinnen, da Wärme die Moleküle beweglicher macht. Wird die Temperatur allerdings zu hoch, kann eine Zersetzung der Stoffe durch molekulare Strukturveränderungen stattfinden.

Elastomere Arten

Fast alle Arten vernetzter Kautschuke können ohne Weiteres zu den Elastomeren gezählt werden. Dazu gehören folgende Stoffe:

  • Elastomere aus Naturkautschuk oder Synthesekautschuk
  • thermoplastische Elastomere
  • flüssigkristalline Elastomere
  • magnetorheologische Elastomere.

Elastomere aus Naturkautschuk

Naturkautschuk wird aus dem milchigen Saft des Kautschukbaumes gewonnen, der in den tropischen Gebieten Afrikas, Asiens oder Südamerikas zu finden ist. Materialien aus Naturkautschuk zeichnen sich vor allem durch ihre guten mechanischen Eigenschaften wie die hohe Festigkeit, die sehr hohe Bruchdehnung und die gute Stoßelastizität aus. Außerdem sind sie äußerst beständig gegen Abrieb. Werden an die Stoffe hohe Anforderungen hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber Mineralölen oder Fetten gestellt, sind sie jedoch nicht die erste Wahl. Außerdem sind die Stoffe aus Naturkautschuk weniger beständig gegen UV-Licht, Ozon oder Alterung, was dazu führte, dass ein künstlicher, beständigerer Kautschuk entwickelt wurde.
NR (Naturkautschuk): hohe mechanische Festigkeit und Elastizität

Elastomere aus Synthesekautschuk

Bei den Elastomeren aus Synthesekautschuk unterscheidet man zwischen zahlreichen Varianten. Hier sind einige Typen:

  • EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk): sehr gute Alterungsbeständigkeit, gute Säurenbeständigkeit, nicht beständig gegen Öle
  • SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk): gute Abriebbeständigkeit, gute elektrische Isolierfähigkeit, mäßige Beständigkeit gegen Tier- und Pflanzenöle
  • IIR (Butyl-Kautschuk) : geringe Gasdurchlässigkeit, gute elektrische Isolierfähigkeit
  • IR (Isopren-Kautschuk): sehr gute mechanische Eigenschaft und Elastizität
  • NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk): wird in Hydraulik und Pneumatik eingesetzt, gute Beständigkeit gegen Öle

Einige der Stoffe weisen dem Naturkautschuk ähnliche Eigenschaften auf (beispielsweise SBR). Andere Materialien sind besonders beständig gegen Mineralöle oder Treibstoffe (NBR). Wenn es bei den Materialien auf eine besonders gute Isolierwirkung ankommt, sind verschiedene Arten des Isopren-Kautschuks die erste Wahl. Nicht zu vergessen sind die Kautschukarten aus Butyl, die als besonders beständig gegen Alterung und Witterungseinflüsse gelten.

Thermoplastische Elastomere

Bei den thermoplastischen Elastomeren handelt es sich um besondere Kunststoffe, die sich bei Raumtemperatur nicht anders verhalten als klassische Arten von Naturkautschuk oder die meisten anderen Arten von Elastomeren. Wird ihnen allerdings Wärme zugeführt, so lassen sie sich dauerhaft verformen, behalten also eine bei hoher Temperatur durchgeführte Formveränderung bei. Die Stoffe besitzen einen großen Vorteil: Sie können geschweißt werden, um beispielsweise dichte Verbindungen herzustellen.

Flüssigkristalline Elastomere (Liquid Crystalline Elastomers, LCEs)

Die Flüssigkristalline Elastomere sind noch eine recht neue Materialklasse. Sie vereinen die hohe Verformbarkeit der Elastomere mit der Zugfestigkeit und anderen Eigenschaften der Flüssigkristalle. Außerdem haben sie die Fähigkeit, beim Anlegen einer elektrischen Spannung ihre molekularen Eigenschaften zu verändern.
Flüssigkristalline Elastomere könnten Anwendung finden:

  • in mikromechanischen Systemen
  • künstliche Muskeln und andere Antriebssysteme
  • weichen Kontaktlinsen
  • intelligenten aktiven Oberflächen.
  • durch Temperatur, Elektrizität oder Licht veränderbare LCEs für einen technisch nutzbaren Formgedächtniseffekt.

Magnetorheologische Elastomere (MRE)

Magnetorheologische Elastomere sind neuartige Kompositmaterialien, die gerade am Fraunhofer Institut erforscht werden. Sie bestehen aus einer weichen Silikonelastomermatrix mit darin eingebetteten magnetisierbaren Partikeln (meistens Eisen). Sie können durch den Einfluss eines Magnetfeldes, welches Veränderungen in der Molekularstruktur hervorruft, ihre Eigenschaften ändern, also steifer oder flexibler werden. Dieses “Smart Material” kann durch diese “Veränderung auf Knopfdruck” eingesetzt werden, um beispielsweise das Oberflächengefühl bei Berührung zu verändern. Mögliche Anwendungsgebiete von MRE sind:

  • Schwingungsdämpfung (Scherung, Quetschung)
  • steuerbare Lager
  • kontrollierbare Dichtungen, Ventile
  • haptische Elemente
  • flexible Greifer
  • (Schnell-) Fixierung von Werkstücken
  • künstliche Muskeln für die Robotik,
  • Formgedächtniseigenschaften (shape memory effect)

Herstellung von Elastomeren

Elastomere werden in chemischen Produktionshallen hergestellt. Sie bestehen aus langen, miteinander vernetzten Molekülen. Sie entstehen durch eine chemische Synthese-Reaktion, der Polymerbildungsreaktion. Je nach Art der Ausgangsproduktenutzen Chemiker vor allem zwei typische Synthese-Arten, um die gewünschten Elastomere zu erzeugen: Die Polyaddition oder die Kettenpolymerisation. Die Polymerisation läuft sehr strukturiert ab: Neue Molekülteile hängen sich ausschließlich an einem Ende an, ähnlich wie Perlen auf eine Kette aufgefädelt werden. Bei der Polyaddition hingegen reagieren die Ausgangsprodukte weitgehend frei miteinander und ergänzen sich gegenseitig zu immer länger werdenden Molekülen, die sich im Anschluss zu noch längeren Molekülketten zusammenfinden.

Wichtige Begriffe der Polymerchemie

Das Polymer ist die Bezeichnung für langkettige Makromoleküle, die aus vielen gleichartigen Molekülteilen aufgebaut sind. Jedes Elastomer ist ein Polymer.

Ein Monomer ist ein Molekül, das sich unter geeigneten Bedingungen zu Polymeren zusammenfügen lässt. Monomere verfügen häufig über eine C=C-Doppelbindung oder anderen stark reaktionsfähige Gruppen.

Die während der Herstellung eines Elastomers auftretenden Zwischenprodukte, bei denen sich mehrere Monomere zusammenfinden, werden als Oligomer bezeichnet. In Abgrenzung zum fertigen Polymer enthält ein Oligomernur etwa 10 – 30 gleichartige Molekülgruppen.

Polyaddition am Beispiel Polyurethan (PUR)

Monomere mit zwei reaktionsfähigen Molekülteilen können sich schrittweise zu immer längeren Ketten verbinden. Diese Syntheseform wird Polyaddition genannt.

Das Elastomer Polyurethan wird durch die Polyaddition eines Dialkohols (ein Molekül mit zwei Alkoholgruppen) mit einem Diisocyanat (ein Molekül mit zwei Cyanatgruppen) hergestellt. Die Synthese gelingt durch die Beigabe eines Katalysators, der die Umstrukturierung der Isocyanatgruppe (-N=C=O) mit der Hydroxylgruppe (-OH) zur Urethangruppe (-NH-CO-O-) ermöglicht.

Die Polyaddition gelingt, da sowohl Stickstoff, wie auch Sauerstoff in der Isocyanatgruppe (-N=C=O) die Elektronen stärker binden, als es der Kohlenstoff vermag. Letzterer ist dadurch leicht positiv geladen. Den Start der Reaktion leitet ein Katalysator ein, der das Wasserstoffatom der Hydroxylgruppe (-OH) vorübergehend anzieht.

Kettenpolymerisation am Beispiel Butadien-Kautschuk (BR)

Viele Elastomere wie Polyoxymethylen (POM), Acrylglas (PMMA) oder Kautschuke werden über die Kettenpolymerisationhergestellt. Zum Kettenstart mischen Hersteller den monomeren Ausgangsprodukten einen Initiator bei. Mit dem Kettenwachstum schreitet die Synthese fort, bei der sich immer weitere Monomere an das Makromolekül anlagern.

Butadien-Kautschuk (BR) wird aus dem Monomer 1,3-Butadien hergestellt. Die beiden Zahlen beschreiben, dass das Molekül an seinem ersten und dritten Kohlenstoffatom über Doppelbindungen verfügt.

Bei der Polymerisation spaltet der Katalysator eine der beiden Doppelbindung auf, während die zweite erhalten bleibt. Je nach Einbau der verbleibenden Doppelbindung im Makromolekül entstehen vier definierte Polybutadien-Ausprägungen:

  • trans-1,4-Polybutadien
  • cis-1,4-Polybutadien
  • iso-1,2-Polybutadien
  • iso-1,2-Polybutadien

Mit geschickter Wahl der Reaktionsparameter, also Druck, Temperatur und insbesondere die Wahl des Katalysators, lässt sich die gewünschte Ausformung in hoher Reinheit herstellen. Eine weit verbreitete Form ist die Ziegler-Natter-Katalyse, bei der überwiegend cis-1,4-Polybutadien entsteht.

Verwendung von Elastomeren

Von Bauwerksabdichtungen, über Silikonbackformen, bis hin zu präzise geformten Ventilklappen-Dichtungen: Elastomere sind aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften in Haushalt und Industrie gut vertreten. Elastomere sind bei diesen Themen die erste Wahl:

  • Dichtung
  • Dämpfung
  • Entkopplung
  • Verbindung

Elastomere im Auto- und Reifenbau

Fast 60 % des jährlichen Gesamtverbrauches an Elstomeren entfällt auf Erst- und Ersatzreifen. Typischerweise finden dafür Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Butadien-Kautschuk (BR) und andere Kautschukarten Verwendung, in einem Umfang von weltweit rund 12,6 Millionen Tonnen pro Jahr. Doch auch für Schläuche, Kabel, Dichtungen und Dämpfungsplatten setzt die Automobilindustrie Elastomere in allen Bereichen des Fahrzeugbaus erfolgreich ein.

Elastomere in anderen Industrien

Neben der Fahrzeugindustrie sind technische Produkte das zweitgrößte Einsatzgebiet für Elastomere. Förderbänder und Walzenbezüge in der Industrie, sowie wasserfeste Abdichtung von Hoch- und Tiefbauten in der Baubranche zeigen die weite Verbreitung von Elastomer-Produkten. Hochpräzise Profile, dauerlastische Membranen und lösungsmittelbeständige Aktuatoren, die elektrische Signale in mechanische Bewegung umsetzen, machen Elastomere zu begehrten Werkstoffen. Zu finden sind sie unter anderem in der Luftfahrt, der Elektronik und der Rüstungsindustrie.

Elastomere in Sport und Haushalt

Selbst im täglichen Alltag sind Elastomer-Produkte stark verbreitet: Kautschuk-Yogamatten, belastbare Abfahrt-Ski und federnde Schuhsohlen für Läufer und Hochspringer demonstrieren die Vielseitigkeit der Elastomere im sportlichen Einsatz. In Haushalt und Küche ist dagegen Silikon nicht mehr wegzudenken. Lebensmittelecht und hochtemperaturbeständig liefert das Material ideale Voraussetzungen für die Herstellung von Kochlöffeln und Backformen in ausgezeichneter Qualität.

Quellen

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  • http://kirste.userpage.fu-berlin.de/chemistry/kunststoffe/polyadd.htm
  • http://kirste.userpage.fu-berlin.de/chemistry/kunststoffe/urethan.htm
  • http://www.ceresana.com/de/marktstudien/kunststoffe/synthetische-elastomere/
  • https://www.cesma.de/de/materialien/magnetorheologische-elastomere–mre-.html
  • http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/andere/kautschuk/kautschuk.vlu/Page/vsc/de/ch/9/mac/andere/kautschuk/butadien_elastomer.vscml.html
  • http://www.chemie.de/lexikon/Thermoplastische_Elastomere.html
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  • http://www.dupont.de/produkte-und-dienstleistungen/plastics-polymers-resins/elastomers/articles/guide-to-elastomer-properties.html
  • http://www.gummi-technik.de/php/s.polymere-elastomere-thermoplaste-duroplaste.de.htm
  • http://www.kgk-rubberpoint.de/15924/marktstudie-weltmarkt-fuer-synthetische-elastomere-waechst/
  • http://www.haute-innovation.com/de/magazin/smart-materials/magnetorheologisches-elastomer.html
  • https://tu-dresden.de/ing/maschinenwesen/ifkm/nefm/studium/studienarbeiten/parametrisierung-eines-makroskalenmodells-fuer-magnetorheologische-elastomere-anhand-von-mikroskalen-simulationen
  • https://tu-dresden.de/ing/maschinenwesen/ifkm/nefm/studium/studienarbeiten/parameterstudie-zu-kopplungseffekten-in-magnetorheologischen-elastomeren
  • http://werkstoffzeitschrift.de/flussigkristalline-elastomere/
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  • https://de.wikipedia.org/wiki/Elastomer
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  • https://ertbv.com/de/herstellung-von-kautschukmischungen/
  • https://sundoc.bibliothek.uni-halle.de/diss-online/05/06H001/t3.pdf
  • https://www.pccl.at/forschung-de/elastomer-und-oberflaechenchemie.html
  • Elastomere – Dicht- und Konstruktionswerkstoffe.Jun 1, 2003, Walter Gohl and K. H. Spies