Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, auch bekannt unter der Abkürzung NBR oder auch Nitrilkautschuk, ist ein sogenannter Synthesekautschuk.

Das Kürzel NBR leitet sich von der englischen Bezeichnung Nitrile Butadiene Rubber her. Acrylnitril-Butadien-Kautschuk ist auch unter den Handelsnamen Perbunan, Maypren, Elaprimoder der alten Bezeichnung Buna N bekannt.

NBR bildet die Basis für eine Reihe von Werkstoffen und findet sich in einer Vielzahl an Produkten, vor allem in Dichtungen und Schläuchen der Automobilzulieferindustrie , in Einmalhandschuhen im Labor- und Medizinbereich sowie in Schuhsohlen der Schuhindustrie. Dank seiner Chemikalienfestigkeit kommt es im Arbeitsschutz zum Einsatz und ist auch aus der Gas- und Wasserversorgung nicht wegzudenken.

NBR – Definition

NBR zählt zu den Elastomeren, also einer Untergruppe der Kunststoffe. Es besteht aus locker vernetzten Polymermolekülen, die im Normalzustand “verknäuelt” sind und dem Material seine elastischen Eigenschaften verleihen. Die Polymerketten werden aus den Momomeren Acrylnitril und 1,3-Butadien gebildet. (Anmerkung: hier Reaktionsgleichungplus Formelbild)

NBR – Eigenschaften

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von NBR werden beeinflusst durch:

  • den Vernetzungsgrad im Kunststoff
  • das Mischungsverhältnis von Acrylnitril zu 1,3-Butadien
  • das Verschneiden mit anderen Kunststoffen und Blends, wie PVC oder SBR
  • die Zugabe sogenannter Füllstoffe

Von daher gibt es nicht “einen” Nitrilkautschuk, sondern sehr viele verschiedene Typen. Am wichtigsten ist dabei der Acrylnitrilgehalt (ACN) von Acrylnitril-Butadien-Kautschuk: Bei geringem ACN-Gehalt wird die Beständigkeit gegen Öle und Kraftstoffe eingeschränkt, dafür ist aber die Flexibilität bei tiefen Temperaturen besser. Hoher ACN-Gehalt verschlechtert das mechanische Verhalten bei tiefen Temperaturen und verbessert die Beständigkeit gegen Öle und Kraftstoffe.

Physikalische Eigenschaften von NBR

Die Dichte von NBR liegt zwischen 1,35g/cm3 und 1,50g/cm3, je nach Vernetzungsgrad. Je größer dieser ist, desto höher ist auch die Dichte. Das gleiche gilt für die Härte von NBR, die zwischen 20 – 90 (nach Shore A) variiert.

NBR ist außerdem gas- und luftundurchlässig, weshalb Nitrilkautschuk als Schlauchmaterial in vielen Industriebereichen genutzt wird.

Mechanische Eigenschaften von NBR

Insgesamt zeichnet sich NBR durch gute mechanische Eigenschaften aus, wie:

  • hohe Abriebfestigkeit
  • hohe Zug- und Reißfestigkeit
  • geringen Druckverformungsrest, somit eine hohe Attraktivität für den Einsatz in der Dichtungstechnik

NBR ist ein Elastomer, dessen nur locker vernetzten Polymermoleküle im Normalzustand “verknäuelt” vorliegen und dem Material seine charakteristischen elastischen Eigenschaften verleihen:

  • Durch Anlegen einer äußeren Kraft, die auch als Zugbelastung bezeichnet wird, werden die Polymermoleküle gestreckt und auseinandergezogen.
  • Fällt die äußere Kraft weg, gehen die Moleküle wieder in ihren ungeordneten Zustand über.

Thermische Eigenschaften von NBR

NBR ist generell im Temperaturbereich von -30°C bis +120°C beständig. Allerdings muss auch hier auf die genaue Zusammensetzung des Nitrilkautschuks geachtet werden:

  • NBR mit einem niedrigen Acrylnitril-Anteil ist für tiefe Temperaturen bis zu -30°C geeignet.
  • NBR mit einem hohen Acrylnitril-Anteil ist für höhere Temperaturen von bis zu 120°C geeignet.

Chemische Eigenschaften von NBR

Allgemein sind Nitrilkautschuke beständig gegenüber:

  • aliphatischen Kohlenwasserstoffen, wie Propan oder Butan
  • Kraftstoffen und Mineralölen
  • Alkoholen
  • pflanzlichen und tierischen Ölen sowie Fetten
  • Silikonöle und -fette
  • verdünnte Säuren und Laugen
  • heißem Wasser bis 80°C

Generell gilt, dass die chemische Beständigkeit mit steigendem Acrylnitrilanteil zunimmt. Ausführliche Beständigkeitslisten können als Orientierungshilfe dienen.

NBR ist gegenüber Ozon und UV-Strahlung nicht beständig. Ebenso ist NBR gegen chlorierte Kohlenwasserstoffe, polare Lösungsmittel, Bremsflüssigkeiten auf Glykolbasis und schwerentflammbare Druckflüssigkeiten nicht gut beständig.

Sonstige Eigenschaften von NBR

NBR lädt sich kaum elektrostatisch auf und somit ist keine Funkenbildung zu befürchten, weshalb das Material gern für Tank- und Benzinschläuche eingesetzt wird.

NBR ist als physiologisch unbedenklich eingestuft und findet somit auch in der Trinkwasser- und Getränkeproduktion Verwendung.

NBR Herstellung

NBR wurde 1930 von den Chemikern Eduard Tschunkur, Helmut Kleiner sowie Erich Konrad entwickelt und bereits vier Jahre später großtechnisch hergestellt.

Bei der Herstellung von Kautschukmischungen wie NBR werden folgende Grundkomponenten genutzt: Kautschuke, Füllstoffe, Weichmacher und Chemikalien Die Kautschuke liegen vor Beginn des Verarbeitungsprozesses als Feststoffe meist in Ballenform vor.
Bei den Füllstoffen wird zwischen aktiven und inaktiven Füllstoffen unterschieden:

  • Als aktive Füllstoffe werden Ruße und Kieselsäuren verwendet. Diese beeinflussen die mechanischen Eigenschaften wesentlich.
  • Inaktive Füllstoffe wie Kreide und Kaoline dienen hauptsächlich als preiswertes Streckmittel; sie beeinflussen die mechanischen Eigenschaften nicht. Kreide, Ruß und Kieselsäure sind für die strukturviskosen Fließeigenschaften des Kautschuks von Bedeutung. Als flüssige Komponente im Gummi werden die Weichmacher bezeichnet. Sie vereinfachen die Verarbeitung der Kautschukmischungen und senken die Herstellungskosten. Am häufigsten verwendet werden hierfür preiswerte Mineralöle sowie synthetische Produkte. Durch den Einsatz von Chemikalien werden hauptsächlich die Endeigenschaften der Vulkanisate beeinflusst. Dazu zählen hauptsächlich Alterungsschutzmittel, Verarbeitungshilfsmittel, Farbstoffe, Treibmittel, Aktivatoren, Vernetzungsmittel, Vulkanisationsbeschleuniger und Vulkanisationsverzögerer. Die Synthese dieser Grundkomponenten erfolgt durch eine sogenannte radikalische Polymerisation (Kettenpolymerisation) aus den Momomeren Acrylnitril und 1,3-Butadien im Emulsionspolymerisationsverfahren.

Dieses Verfahren hat verschiedene Vorteile:

  • die Reaktionsgeschwindigkeit innerhalb der Emulsion ist sehr hoch
  • die niedrige Viskosität der Emulsion vereinfacht die Reaktionsführung
  • die gute Abführung der Reaktionswärme durch das wässrige Milieu und dadurch eine gute Steuerung der Reaktion

Die Reaktion kann bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt werden, wodurch ein stark oder weniger stark vernetzter Nitrilkautschuk entsteht. Bei der Kaltpolymerisation bei 5°C wird weniger stark vernetztes, bei der Warmpolymerisation bei 25°C – 50°C wird stärker vernetztes NBR gebildet. Neben diesem, als Thermovulkanisation bekannten Verfahren, kommt auch die Vernetzung über die klassische Schwefel-Vulkanisation zum Einsatz oder alternativ die Vernetzung mittels organischen Peroxiden. Es gibt zwei wesentliche Herstellungsverfahren um Kautschukmischungen zu erzeugen:

  • das diskontinuierliche, chargenweise arbeitende Verfahren in Walzwerken sowie Innenmischern.
  • die kontinuierliche Herstellung in Mischextrudern

Durchgesetzt haben sich die Verfahren mit kontinuierlicher Zuführung der zu mischenden Stoffe. Diese ermöglichen eine gleichbleibende Qualität im Herstellungsprozess. Die Verfahren sind ziemlich komplex, weswegen wir hier nicht weiter darauf eingehen wollen.

NBR Verwendung

NBR in der Medizin und im Labor

Im Medizin- und Laborbereich findet sich NBR vor allem in Form von Einmalhandschuhen.

NBR in der Elektrotechnik

In der Elektrotechnik findet NBR keine Verwendung, da es nicht für elektrische Isolationen geeignet ist.

NBR in der Automobilindustrie

Acrylnitril-Butadien-Kautschuk wird vorwiegend in der Automobilzulieferindustrie verwendet und dient vor allem als Naturkautschuk-Ersatz. Genutzt wird es als Dichtungsmaterial, für O-Ringe, Membrane, Ventile, Kupplungen und Schläuche.

NBR in der Lebensmittelindustrie

Aufgrund seiner physiologischen Unbedenklichkeit wird NBR als Material für Schläuche in der Wasser- und Getränkeproduktion genutzt. Auch im Bereich der Lebensmittelherstellung wird NBR eingesetzt, beispielsweise für Transportbänder bei fettigen Lebensmitteln.

NBR in anderen Bereichen

NBR kommt auch in der Schuhindustrie zum Einsatz, vor allem zur Fertigung robuster Sohlen.

NBR im Vergleich zu anderen Elastomeren

NBR und EPDM/EPM – Unterschiede und Gemeinsamkeiten

EPDM/EPM besitzt im Unterschied zu Acrylnitril-Butadien-Kautschuk sehr gute elektrische Isoliereigenschaften sowie eine ausgezeichnete Ozon- und Sonnenlichtbeständigkeit sowie eine hervorragende Alterungsbeständigkeit. Acrylnitril-Butadien-Kautschuk ist wiederum bei der Beständigkeit gegen Kraftstoffe, Mineralöle, Schmierfette sowie andere tierische und pflanzliche Öle und Fette weit überlegen. Ebenso sind bei Acrylnitril-Butadien-Kautschuk die guten Abriebeigenschaften zu nennen. Die Temperaturbeständigkeit ist bei beiden Materialien gut.

NBR und CSM – Unterschiede und Gemeinsamkeiten

CSM besitzt im Gegensatz zu Acrylnitril-Butadien-Kautschuk nur eine mittlere Beständigkeit gegen Mineralöle und -fette. Die gute Chemikalienbeständigkeit von CSM ist gegenüber Acrylnitril-Butadien-Kautschuk hervorzuheben. Dies betrifft vor allem oxidierende Materialien. CSM ist Flammwidrig!

NBR und CR – Unterschiede und Gemeinsamkeiten

CR besitzt gegenüber Acrylnitril-Butadien-Kautschuk nur eine mittlere Beständigkeit gegen Mineralöle und -fette. Dafür sind die mechanischen Eigenschaften von CR hervorragend. Elastizität, Ozon-, Wetter-, Chemikalien- und Altersbeständigkeit sind bei CR ausgezeichnet.

NBR und SBR – Unterschiede und Gemeinsamkeiten

SBR besitzt keinerlei Beständigkeit gegenüber Mineralölen und -fetten. Die Abriebfestigkeit ist besser als bei Acrylnitril-Butadien-Kautschuk allerdings bei geringerer Elastizität.

NBR und NR – Unterschiede und Gemeinsamkeiten

Bei NR sind vor allem die guten mechanischen Eigenschaften gegenüber Acrylnitril-Butadien-Kautschuk zu erwähnen. Gegen Mineralöle und -fette ist NR nicht beständig. Ebenso ist die Ozon-, UV- und Alterungsbeständigkeit bei NR schlechter als beim Einsatz von Acrylnitril-Butadien-Kautschuk.

NBR und – IIR Unterschiede und Gemeinsamkeiten

IIR besitzt eine besonders geringe Gasdurchlässigkeit. Die Hitze- und Alterungsbeständigkeit von IIR ist gut. Die chemische Beständigkeit sowie eine gute Wetter- und Ozonbeständigkeit sind bei IIR gegeben. Hervorzuheben ist die gute elektrische Isoliereigenschaft gegenüber Acrylnitril-Butadien-Kautschuk.

NBR und HNBR – Unterschiede und Gemeinsamkeiten

HNBR ist genauso wie Acrylnitril-Butadien-Kautschuk sehr gut Beständig gegen Öl und Benzin. Zusätzlich besitzt HNBR eine höhere Temperaturbeständigkeit sowie eine bessere Alterungs- und Witterungsbeständigkeit als Acrylnitril-Butadien-Kautschuk. Auch bei hohen Temperaturen sind die physikalischen Eigenschaften von HNBR hervorragend.

NBR und PUR – Unterschiede und Gemeinsamkeiten

PUR besitzt eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit. Mineralöl- und Ozonbeständigkeit sowie die Gasdichtheit sind ebenfalls besser als bei Acrylnitril-Butadien-Kautschuk.

NBR und FPM/FKM – Unterschiede und Gemeinsamkeiten

FPM/FKM ist gegenüber Acrylnitril-Butadien-Kautschuk besser Temperaturbeständig. Die Öl- und Chemikalienbeständigkeit ist ebenfalls sehr gut. Dafür ist die mechanische Festigkeit und Elastizität gegenüber NBR eher gering. Dieses Material vereint die Vorzüge vieler Elastomere und ist daher relativ teuer und Spezialanwendungen vorbehalten.

Quellen

  • https://www.gfd-katalog.com/master/media/MKK/media/37/377918_BESTAENDIGKEIT.PDF?MediandoWEB_gfd_murer_feuerschutz=e01f12895427a572e654be36261acc98
  • http://www.chemie.de/lexikon/Nitrilkautschuk.html
  • http://www.materialarchiv.ch/materialarchiv/ws/helper/specsheet.php?id=25
  • https://de.wikipedia.org/wiki/Acrylnitril-Butadien-Kautschuk