Kautschuk

Kautschuk – Definition

Kautschuk – Eigenschaften auf einen Blick!

Aufbau von Kautschuk

Kautschuk (cis-1,4-Polyisopren) gehört den Polymeren an. Er besteht aus (mehreren) Isoprenmolekülen (2-Methyl-1,3-Butadien). Diese Makromoleküle sind zu kettenförmigen Knäulen miteinander verknüpft. Wird der Kautschuk gedehnt, werden die kettenförmigen Moleküle ausgestreckt und dadurch auch parallel angeordnet.

Abbildung 1: Isoprenmolekül und Naturkautschuk Strukturformel im Vergleich

Durch das Verfahren der Vulkanisation kann sich die Kette nicht mehr so viel bewegen. Davon abgeleitet muss auch mehr Kraft angewendet werden, um das Material zu verformen. Dies ist nur begrenzt möglich. Lässt man das Material wieder los, kehrt es in seinen Ursprungszustand zurück (reversibel).

Vulkanisation

Benannt nach dem römischen Gott des Feuers Vulcan wurde dieses Verfahren von Charles Goodyear entwickelt, um die Beschaffenheit von Kautschuk, mittels Erhitzen und in Kombination mit Schwefel, zu verbessern. Die ersten Kautschukprodukte waren nämlich noch temperaturempfindlich, haben geklebt und rochen unangenehm. Sie waren aus einzelnen unvernetzten Polyisoprenmolekülen aufgebaut (siehe oben) und erst durch die Vulkanisation wurden diese Mikromoleküle weitmaschig vernetzt.

Bei der Vulkanisation werden Schwefelbrücken zwischen den einzelnen Polymersträngen des Kautschuks eingebaut, um ein stabileres Produkt zu erhalten. Je mehr Schwefel in diesem Molekül enthalten ist, desto härter ist der Kautschuk am Ende, denn die Beweglichkeit wird durch intermolekulare Brückenbindungen eingeschränkt. Bei 5–10 % Schwefelzusatz erhält man Weichgummi, bei 30–50 % wiederum Hartgummi.

Die Schwefelbrücken bilden sich einerseits durch die radikalische Substitution, andererseits durch Addition an die Doppelbindung von zwei Polymerketten.

Abbildung 2: Reaktion der Strukturformel von Kautschuk mit Zugabe von Schwefel

Als Produkt entsteht ein Elastomer, das auch die typischen Eigenschaften dieser Gruppe aufweist: ein elastisches, nach dem Verformen bzw. Dehnen wieder seine Ursprungsform einnehmendes Material. Dadurch, dass bei der Vulkanisation nicht alle Doppelbindungen eingenommen werden, ist das Elastomer immer noch gegen Licht- und Lufteinwirkungen empfindlich. Erst durch die Zugabe von Füllstoffen wie Ruß oder Zinkoxid wird das Produkt richtig stabilisiert.

Durch die Vulkanisation versprödet sich jedoch das Material nach einiger Zeit, was du vielleicht schon einmal bei einem alten Radiergummi oder Autoreifen bemerkt hast.

Kautschuk – Herkunft

Woher Kautschuk stammt und wie er nach Europa kam, erfährst du im Folgenden.

Früheste Entdeckung von Kautschuk in Mittelamerika

Das älteste bekannte Vorkommen von Kautschuk geht auf die Zeit um 1.600 v. Chr. zurück. Sowohl die Völker des mittelamerikanischen Mesoamerikas, als auch die indigen Völker Amazoniens haben den Kautschuk schon zu präkolumbianischer Zeit für sich entdeckt.

Beispielsweise wurde zu dieser Zeit ein Mesoamerikanisches Ballspiel mit einem Vollgummi-Ball erfunden. Doch auch Stoffe wurden mit Kautschuk beschichtet, um sie wasserabweisend zu machen. Sogar Füße wurden mit einem eingeschränkt haltbaren Gummizug als eine Art Schuhwerk überzogen.

Kautschuk kommt nach Europa

Erst durch die Entdeckung Amerikas kam der Kautschuk auch in die europäischen Regionen, jedoch war er zu dem Zeitpunkt den meisten Menschen noch unbekannt. Durch Erzählungen in Büchern wurde er bekannter.

Beispielsweise beschrieb 1615 Juan de Torquemada das Buch "De la Monarquia Indiana", wie die Indianer ihre Gegenstände wasserabstoßend machten. Nachdem Charles Marie de La Condamine 1735–1745 im Amazonasgebiet beobachten konnte, wie Kautschuk verwendet und hergestellt wird, schrieb auch er ein Buch darüber.

Das führte dazu, dass sowohl mehr Berichte zum Thema Kautschuk entstanden, als auch die Menschen anfingen damit zu experimentieren: 1761 fand man ein Lösungsmittel, 1770 entstand der Radiergummi, 1824 der erste Regenmantel und die Wellington boots und vieles mehr.

Trotz der vielen Erfolge mit Kautschuk änderte sich damals noch nichts an der Tatsache, dass das Material schwer zu verwenden ist – bei großer Hitze ist es klebrig, bei Kälte spröde.

Kautschukboom

Charles Goodyear (1800-1860) erfand im Jahr 1839 die Vulkanisation. Dadurch konnte erstmals der plastische Kautschuk zu elastischen Gummi verändert werden. Jedoch arbeitete er auf Basis der Experimente von F.W. Lüdersdorff und E. Haywards, die Mischungen aus Schwefel und Kautschuk in der Sonne oberflächlich härteten.

Durch das neue Verfahren der Vulkanisation ergaben sich auch zahlreiche neue Anwendungsbereiche, sodass es in den Jahren 1839–1910 in der Amazonasregion zu einem sogenannten Kautschukboom kam. Aus dieser Zeit stammen etwa das Teatro Amazonas in Manaus oder die 364 km lange Maderia-Mamoré-Eisenbahn.

Abbildung 3: Portrait von Charles Goodyear (1800-1860)

Kautschuk – Vorkommen in der Natur

Kautschuk wird aus dem Milchsaft (Latices) mehrerer hundert Pflanzenarten gewonnen werden – jedoch nur aus den Pflanzenarten der Europhorbiaceae, Moraceae und der Compositae. Diese Pflanzen beinhalten Kautschuk als kolloidale, wässrige Emulsion, die durch das in den Pflanzen enthaltene Eiweiß stabilisiert wird.

Den meisten (ca. 90 % der Gesamtquellen) und qualitativ besten Kautschuk gewinnt man aus der ca. 20 Meter hohen Hevea brasillienssis aus dem Amazonasgebiet, die deshalb auch als "Kautschukbaum" bezeichnet wird. Um ihr Latex (Milchsaft) zu fassen, muss die Baumrinde angeritzt werden. Unmittelbar nach dem Schnitt fließt der Latex.

Heute wird der natürliche Kautschuk hauptsächlich auf Plantagen gewonnen.

Abbildung 4: Naturkautschuk aus dem Milchsaft einer Pflanze

Latex

Woraus sich Latex noch zusammensetzt, siehst du hier:

Von der Latexmilch zum Rohkautschuk

Möchte man Rohkautschuk aus dem natürlichen Latex gewinnen, muss dieser zunächst in flachen Behältern gerinnen. Danach setzten sich die Kautschukteilchen vom Wasser ab. Der Rohkautschuk kann dadurch einfach herausgehoben werden. Zur Beschleunigung dieses Schrittes wird dem Latex eine Säure (beispielsweise Essig- oder Ameisensäure) zugesetzt.

Im nächsten Schritt muss der Rohkautschuk gewaschen und anschließend zu Folien oder dünnen Platten ausgewalzt werden. Diese müssen danach noch einmal gewaschen werden. Anschließend wird der Rohkautschuk getrocknet und zu Ballen gepresst. Erst dann wird er zur Weiterverarbeitung exportiert.

Synthetischer Kautschuk – Herstellung

Heutzutage ist es auch möglich, Kautschuk synthetisch herzustellen. Etwa 60 % des Gesamtbedarfs wird mittlerweile synthetisch hergestellt. Das ist von Vorteil, da der Naturkautschuk allein den Bedarf nicht mehr decken kann.

Im Gegensatz zum Naturkautschuk ist es beim Synthesekautschuk möglich, die Ausgangsprodukte und Molekularstruktur zu beeinflussen – sprich Kautschuk "nach Maß" herzustellen. Somit kann je nach Anwendungsbereich und Anforderungen ein bestimmter Kautschuk produziert werden.

Synthetischer Kautschuk wird grundsätzlich aus dem Grundstoff Erdöl gewonnen. Technisch lässt sich der Synthesekautschuk aus ungesättigten Kohlenwasserstoffatomen als Grundmaterial (beispielsweise Butadien, Styrol oder Polyurethan) mithilfe der radikalischen Substitution herstellen.

Je nach verwendetem Grundmaterial ändern sich die Eigenschaften. Es bilden sich dabei verschiedene Verknüpfungen: cis-1.4, trans-1.4 und 1,3. Je nach Verknüpfung ergeben sich auch hier andere Eigenschaften der Polymere.

Silikonkautschuk

Anders als bei dem natürlichen und synthetisch hergestelltem Kautschuk besteht der Silikonkautschuk nicht aus Kohlenstoff-Molekülhauptketten.

Wie kam es dazu?

Erst, als man Ende der 1920er-Jahre nach Alternativen für den Naturkautschuk suchte, wurde Silizium für die Industrieforschung interessant. Als Grundlage dafür dienten Ableitungen von anderen früheren Arbeiten, unter anderem auch von Arbeiten des englischen Chemikers Frederic Stanley Kipping (1863–1946), dem es als Erstes gelang, organische Silizium-Verbindungen zu synthetisieren.

Den Durchbruch der grundlegenden Synthese für die Silikonproduktion erreichten der deutschen Chemiker Richard Gustav Müller (1903–1999) und der US-Amerikaner Eugene George Rochow (1909–2002) unabhängig voneinander.

Synthese von Silikonkautschuk

Silikonkautschuk wird durch die Polymerisation hergestellt. Den Ausgangspunkt bilden hierbei Chlormethylsilane. Durch die Hydrolyse werden anstelle der Chloratome Hydroxy-Gruppen eingesetzt:

${\left({\mathrm{CH}}_3\right)}_2{\mathrm{SiCl}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\left({\mathrm{CH}}_3\right)}_2\mathrm{Si}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+2\mathrm{HCl}$

Unter Wasserabspaltung kondensieren danach die gebildeten Silanole und bilden Polymethylsiloxane:

$\mathrm{n}{\left({\mathrm{CH}}_3\right)}_2\mathrm{Si}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2\to [-\mathrm{O}-\mathrm{Si}{\left({\mathrm{CH}}_3\right)}_{2-}{]}_{\mathrm{n}}+\mathrm{n}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Je nach gewünschten Eigenschaften können so verschiedene Silikonkautschuktypen hergestellt werden: zu den bekanntesten gehören Poly-Dimethyl-Siloxane, Poly-Methyl-Penthyl-Siloxane oder Poly-Methyl-Vinyl-Siloxane.

Kautschuk – Verwendung

Der rohe Kautschuk wird zu einem kleinen Teil in Klebe- oder Isolierbändern oder Gummilösungen verwendet. Dem Großteil wird jedoch durch die Vulkanisation Schwefel zugesetzt. Dadurch wird erzielt, dass der Kautschuk auch noch bei Temperaturbereichen von -60 °C – +100 °C seine elastischen Eigenschaften beibehält.

Naturkautschuk – Verwendung

Naturkautschuk kostet nicht viel und weist sowohl ein gutes Dehnungsverhalten als auch allgemein gute mechanische Eigenschaften auf. Der Nachteil des natürlichen Kautschuk liegt jedoch darin, dass er nur gering alters beständig und nur schlecht beständig gegen Öl und Kraftstoffen ist.

Naturkautschuk kommt hauptsächlich für die Herstellung von Flugzeug oder Pkw-Reifen zum Einsatz, welche 70 % der Gesamtmenge ausmachen. Doch auch für Latex-Produkte (Luftballon, Radiergummi) oder die Herstellung sehr dünnwandiger Produkte (Handschuhe) wird Naturkautschuk verwendet.

Synthesekautschuk – Verwendung

Beim Synthesekautschuk wird zum größten Teil der Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) verwendet, dessen Anteil am Produktionsvolumen beträgt etwa 50–60 %. Auch dieser Kautschuk wird für die Produktion von Autoreifen eingesetzt.

Es gibt aber noch andere Formen des Synthesekautschuks: Nitrilkautschuk (Butadien in Kombination mit 10–40 % Acrylnitril) wird für Dichtungen im Pkw benutzt, weil dieser öl- und benzinbeständig ist.

Bei Neopren (Poly-2-Chlorbutadien) handelt es sich auch um ein Spezialprodukt des Kautschuks: beispielsweise werden daraus Taucheranzüge hergestellt. Neopren weist eine gute Alterungsbeständigkeit und eine geringe Wasserdampfdurchdringung auf.

Prinzipiell wird synthetisch hergestellter Kautschuk auch für Produkte verwendet, die thermisch hoch beansprucht werden, als Gegenpol kann es aber auch bei tiefen Temperaturen zur Verglasung im Bauwesen von Nutzen sein.

Silikonkautschuk – Verwendung

Besonders in der Schlauchtechnik zur Herstellung von sogenannten Chemieschläuchen kommt Silikonkautschuk zum Einsatz, um Flüssigkeiten von A nach B zu befördern. Doch auch in der Motorentechnik gibt es Schläuche aus Silikonkautschuk, zum Beispiel als Turboschläuche oder für Dichtungen. Silikonkautschuk hast du bestimmt auch schon zu Hause: Beispielsweise ist in Kuchen- und Eisformen oder Radiergummis dieser Kautschuk enthalten.