Kautschuk – der heimliche Star unter den Werkstoffen

 

100 Jahre Makromolekulare Chemie

Kautschuk hält die moderne Welt in Bewegung und ist der Schlüssel zu wegweisenden Entwicklungen sowie technischen Innovationen: In nahezu jedem Wirtschaftszweig und allen Bereichen des alltäglichen Lebens arbeitet und funktioniert dieser einzigartige Werkstoff oft im Verborgenen, dort, wo niemand so genau hinschaut oder ihn wahrnimmt. Rund 40 000 Artikel des täglichen Lebens funktionieren dank Kautschuk [2] – von kleinen Komponenten wie Gummidichtungen oder Keilriemen in Kaffeemaschinen bis hin zum schwebenden Transportband, das Erz oder Kohle über kilometerlange Strecken transportiert. Nehmen wir den Hidden Champion unter den Werkstoffen genauer unter die Lupe.

Das Leben ohne Kautschuk – ein Gedankenspiel [1]

Stellen wir uns eine Welt ohne Kautschuk vor. Sie wäre vergleichbar mit einem Fußballspiel ohne Ball, einer Zeitung ohne Buchstaben oder Instagram ohne Fotos: Denn auf einem Lattenrost würde es sich ohne Latexmatratze sehr unbequem liegen, ohne OP-Handschuhe würden Chirurgen sich selbst und ihre Patienten in Gefahr bringen. Und was würde erst passieren, wenn man sich ins Auto setzt? Nicht nur die Reifen wären weg. Ohne Schlauchleitungen stünde der Motor; Antrieb, Bremsen, Lenkung und Abgassystem fielen aus. Auch das Umsteigen auf andere Verkehrsmittel wäre sinnlos, denn Fahrräder, Busse, U-Bahnen, Züge – nichts mehr würde sich bewegen. Die moderne Welt käme zum Stillstand.

Vielfalt der Elastomere – unzählige maßgeschneiderte polymere Werkstoffe

Heute gibt es neben dem Naturprodukt und seinem synthetischen Bruder (Isopren-Kautschuk) eine Vielzahl anderer synthetischer Kautschuke wie Ethylen-Propylen-Kautschuk, Polychloropren, Fluor- und Silikonkautschuk, um einige Beispiele zu nennen. Da sich der chemische Aufbau der synthetischen Kautschuke und damit deren Eigenschaften grundlegend vom Natur- oder Isopren-Kautschuk unterscheiden, finden sie vor allem in technischen Elastomerprodukten Anwendung. Inzwischen können diese Elastomerprodukte einen Temperaturbereich von -70 bis 250 °C abdecken und werden speziell für den Einsatzfall entwickelt, je nach Produktanforderungen und Umwelteinflüssen. 

Dennoch hat der synthetische Bruder den Naturkautschuk dank dessen einzigartigen Eigenschaften bisher nicht von der Bühne verdrängen können. Ein Grund ist die Elastizität des Naturkautschuks – ein Prinzip, das wir oft in der Natur finden, sei es beim filigranen und widerstandsfähigen Spinnennetz oder beim Bambus. So sind z. B. mechanische Eigenschaften wie Zug- und Reißfestigkeit bei Naturkautschukvulkanisaten höher als bei Vulkanisaten aus Isopren-Kautschuk. Heute geht man davon aus, dass nicht nur die höhere Regelmäßigkeit (Stereoregularität) und Länge der Polymerkette (Molmasse) dafür verantwortlich sind. Nach neueren Untersuchungen spielen auch natürliche Verunreinigungen wie Proteine und Phospholipide eine Rolle. [3,4]
 

Für viele Produkte, die in der Industrie oder im Alltag zum Einsatz kommen, benötigt man die hohen Festigkeiten anderer Werkstoffe. Dies gelingt mit dem sogenannten Konstruktionsprinzip der Funktionstrennung. Zum Beispiel gewährleisten Korde oder Seile aus Stahl und Glas oder Aramid die hohe Festigkeit, die Produkte wie Riemen, Reifen oder Transportbänder benötigen. Eine Herausforderung dabei ist es, Materialien mit so unterschiedlichen Steifigkeiten zu kombinieren. Bei mechanischer Belastung verformt sich das Elastomer und bricht leicht an der Verbindungsstelle. Um dies zu verhindern, kann man beispielsweise einen Übergangsbereich in Mikrometer-Dimensionen schaffen, in dem die Steifigkeit vom Elastomer zum Festigkeitsträger ansteigt (Gradientenwerkstoff). 

Neben der Einzigartigkeit der Elastizität muss der Konstrukteur viele weitere Anforderungen im Einsatzfall analysieren und berücksichtigen (z. B. Medienbeständigkeit, Alterung, Einsatztemperaturen, mechanische Belastung (Frequenz und Amplitude)). Denn die chemische Zusammensetzung des Kautschuks die Grundeigenschaften maßgeblich bestimmt, ist die Auswahl des geeigneten Kautschuks ein erster wesentlicher Schritt zur technischen Lösung.

Erst durch Zugabe verschiedener Substanzen, wie Füllstoffe und Additive, entsteht ein Werkstoff, dessen Festigkeit, Verschleiß und Alterungsbeständigkeit eine technische Anwendung ermöglicht und damit unzählige Aufgabenstellungen bewältigt – maßgeschneidert für das jeweilige Anwendungsgebiet.
 

Unentbehrlich für innovative Anwendungen

Zu welchen Höchstleistungen Elastomere fähig sind, sieht man bei Autoreifen: Die Kontaktfläche zwischen Straße und Fahrzeug entspricht etwa der Fläche einer Hand.

Noch deutlicher wird dies bei Bremsmanschetten. Hier bestimmt eine Dichtfläche von etwa 2-3 cm2 über die Funktion. Dieses kleine Präzisionsformteil (Durchmesser ca. 3 cm) wird in hydraulischen Bremszylindern moderner (auch elektrischer) Bremsen verwendet, um beim Tritt auf das Bremspedal einen Druck von bis zu 300 bar aufzubauen.

In Minen, Steinkohlebergwerken oder Kiesgruben, rund um den Globus transportieren Fördergurte aus Kautschuk täglich tonnenschweres Schüttgut wie Gestein oder heiße Schlacke über teils kilometerlange Strecken: Schwebende Transportbänder bahnen sich ihren Weg durch unwegsames Gelände, so dass der Bau von Straßen durch die Landschaft entfällt. Außerdem emittiert der Betrieb mit Transportbändern weniger CO2, zumal auch die Leerfahrten der LKW-Flotten entfallen. [5] Das zeigt: Die Zukunft der Mobilität hat bereits begonnen und soll für nachhaltige wie klimaneutrale Mobilitätskonzepte ausgebaut werden. 
 

Und auch im Zuge der Digitalisierung finden wir verarbeiteten Kautschuk in unserem Alltag, wenn wir genau hinsehen: Hier leisten neue Elastomerprodukte – lasergravierte Flexodruckformen – im Bereich der gedruckten Elektronik einen umweltfreundlichen und innovativen Beitrag im Verborgenen. Gedruckte Elektronik dient beispielsweise für funktionale Folien, Sicherheitsanwendungen bei Konsumgütern zur Nachverfolgung, Identifikation und Schutz vor Plagiaten durch Radiofrequenz-Identifikation (RFID) oder intelligente Verpackungen mit zusätzlichen Funktionen mittels NFC (Nahfeldkommunikation).

Die Beispiele zeigen, dass Produkte aus Kautschuk die einzigartigen Eigenschaften dieser Werkstoffgruppe – auch in der Kombination mit anderen Werkstoffen – nutzen. Somit verfügen diese Produkte über technische Alleinstellungsmerkmale. Kautschuk hat Zukunft, weil die Zukunft Kautschuk braucht.

Autor: Honorarprof. Dr. Wolfram Herrmann (Head of Advanced Material Research and Special Chemical Analytics, ContiTech AG, Hannover)
Redaktionelle Bearbeitung: Lisa Süssmuth, GDCh

[1] Was passieren würde, wenn über Nacht Bakterien jegliches Gummi in unserer Welt zerstören würden, beschreibt Heinz B. P. Gupta (1995): „Das Leben ohne Gummi: Bakterien als Gummi-Gourmets – eine Horrorfiktion“. In U. Giersch; U. Kubisch (Hrsg.

[4] Karino T., Ikeda Y., Yasuda Y., Kohjiya S, Shibayama M.Biomacromolecules. 2007 Feb;8(2):693-9. Epub 2007 Jan 23.

Die Makromolekulare Chemie feiert in diesem Jahr hundert Jahre. Jeder von uns ist Makromolekülen schon begegnet, zum Beispiel in Form von Kunststoff. Zum Jubiläum zeigen unsere Beiträge dieses Jahr, wo Makromoleküle vorkommen.

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