Woraus besteht Gummi: Naturlatex, synthetische Polymere und Compoundierung

In einer typischen Reifenlaufflächenmischung macht das Gummipolymer nur etwa 47 Prozent des Gesamtgewichts aus. Der Rest gelangt als Ruß, Prozessöl, Zinkoxid, Schwefel, Beschleuniger und Antiabbaumittel zum Mischer. Dieser einzelne Anteil ist der schnellste Weg, die Frage zu beantworten, woraus Gummi besteht, denn das Material, das Menschen tatsächlich schneiden, formen und verkaufen, ist kein einziger Stoff. Es ist ein Polymer plus ein sorgfältig abgewogenes Paket Chemie.

Die kurze Antwort: Ein Polymer-Grundgerüst plus ein Compoundierungspaket

Gummi besteht aus einem langkettigen Polymer in Kombination mit Füllstoffen, Ölen, Heilmitteln und Schutzchemikalien. Das Polymer selbst ist entweder cis-1,4-Polyisopren, das aus dem Baum Hevea brasiliensis gewonnen wird, oder eine synthetische Kette, die in einem Reaktor aus Monomeren aufgebaut wird, die aus Erdöl und Erdgas gewonnen werden. Alles andere im Rezept dient dazu, diese Kette verarbeitbar, langlebig und vorhersehbar im Betrieb zu machen.

Isopren, das Monomer mit fünf Kohlenstoffatomen hinter Naturkautschuk, ist ein kleines Molekül. Durch die Polymerisation werden Tausende dieser Einheiten von Kopf bis Fuß zu einer Kette verknüpft, deren Molekulargewicht mehrere Hunderttausend Gramm pro Mol erreichen kann. Diese Länge ermöglicht es dem Material, sich auf ein Vielfaches seiner ursprünglichen Länge zu dehnen und wieder zu erholen, vorausgesetzt, die Ketten sind miteinander verankert.

Ein Rohpolymer allein ist in einer Produktionslinie nahezu nutzlos. Unvulkanisierter Naturkautschuk ist bei warmem Wetter klebrig und bei kaltem Wetter spröde und verliert ab 60 Grad Celsius schnell an Festigkeit. Das Compoundierung-Paket behebt diese Schwächen, weshalb fast jede Spezifikation, die Sie jemals lesen werden, eine Verbindung und kein Polymer beschreibt.

Naturkautschuk: Was aus dem Baum kommt

Naturkautschuk wird aus Feldlatex hergestellt, einer milchigen Suspension, die etwa 30 bis 40 Prozent Polyisopren, 55 bis 65 Prozent Wasser und einen kleinen, aber wichtigen Anteil an Proteinen, Lipiden, Zuckern und Mineralsalzen enthält. Der Nicht-Gummi-Anteil ist gewichtsmäßig winzig, beeinflusst jedoch das Aushärtungsverhalten, den Geruch, die Alterung und das Allergierisiko.

Die Ernte beginnt, wenn ein Baum etwa fünf bis sieben Jahre alt ist. Ein Klopfer schneidet eine dünne Rindenspirale ab, Latex läuft in einen Becher und die Flüssigkeit wird für den Versand mit Ammoniak konserviert. In der Fabrik wird der Latex mit Ameisensäure koaguliert und dann zu einer von drei kommerziellen Formen verarbeitet: ungeräucherte Platten, gerippte geräucherte Platten oder Gummikrümel, die in technisch spezifizierten Qualitäten verkauft werden.

Für einen tieferen Vergleich der beiden Polymerrouten ist die Aufschlüsselung von Naturlatex und synthetische Polymere ist neben den Rohstoffspezifikationen, die Sie von Ihrem Lieferanten erhalten, eine Lektüre wert.

Synthesekautschuk: Was aus der Raffinerie kommt

Synthetischer Kautschuk wird aus Monomeren hergestellt, die aus Erdöl und Erdgas gewonnen werden, und dann in einem Reaktor unter kontrollierten Temperatur-, Druck- und Katalysatorbedingungen polymerisiert. Da die Monomerverhältnisse innerhalb enger Fenster angepasst werden können, ist das resultierende Polymer von Charge zu Charge weitaus konsistenter als Plantagenkautschuk.

Das Benennungssystem ISO 1629 gruppiert diese Materialien nach der Struktur ihres Grundgerüsts. Sorten mit dem Suffix „R“ wie NR, SBR, BR, NBR und CR haben ungesättigte Kohlenstoffketten und härten leicht mit Schwefel aus. Typen mit dem Suffix „M“, einschließlich EPDM und Silikon, haben gesättigte Ketten und benötigen normalerweise stattdessen Peroxid, Harz oder ein ähnliches Härtungssystem.

Was sonst noch reinkommt: Das Compounding-Rezept

Pro 100 Teile Gummi enthält eine Allzweckmischung typischerweise 40 bis 60 Teile Ruß, 5 bis 30 Teile Prozessöl, 3 bis 5 Teile Zinkoxid, 1 bis 2 Teile Stearinsäure, 1,5 bis 2,5 Teile Schwefel, 0,8 bis 2 Teile Beschleuniger und 1 bis 3 Teile Abbaumittel. Diese Werte stellen den Arbeitsbereich für eine herkömmliche schwefelgehärtete Verbindung dar und verschieben sich erheblich, sobald Hitzebeständigkeit, Ölbeständigkeit oder niedriger Druckverformungsrest in die Spezifikation aufgenommen werden.

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Jede Zahl in diesem Satz wird in phr gemessen, was für Teile pro Hundert Gummi steht. Das Referenzgewicht beträgt immer 100 Teile Polymer, niemals das Gewicht der fertigen Mischung, sodass ein Rezept vergrößert oder verkleinert werden kann, ohne dass die Verhältnisse neu berechnet werden müssen.

Die Inhaltsstofffamilien lassen sich in fünf funktionelle Gruppen einteilen:

• Füllstoffe, hauptsächlich Ruß und gefällte Kieselsäure, sorgen für Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit.
• Weichmacher und Prozessöle machen die Mischung weicher, verbessern die Fließfähigkeit und senken die Mischtemperatur.
• Aktivatoren wie Zinkoxid und Stearinsäure wandeln den Beschleuniger in seine aktive Form um.
• Härter, Schwefel oder Peroxid, erzeugen die Vernetzungen, die den Gummi elastisch machen.
• Antiabbaumittel, darunter Amine, Phenole und Wachse, verlangsamen die Alterung durch Sauerstoff, Ozon und Hitze.

Vom Polymer zum Produkt: Vier Verarbeitungsschritte

Die Umwandlung dieser Zutaten in einen verwendbaren Teil erfolgt in vier Schritten, wobei sich bei jedem Schritt die Zusammensetzung ändert. Ein Gewichtsfehler von wenigen Gramm bei einer 50-Kilogramm-Charge reicht aus, um die Härte um mehrere Punkte auf der IRHD-Skala zu verschieben.

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Wie die Zusammensetzung auf einem Datenblatt angezeigt wird

Ein Gummidatenblatt gibt Aufschluss über Polymeridentität, Monomerverhältnisse, Kontaminationsgrenzen und Verarbeitungsverhalten, wodurch unsichtbare Chemie in vergleichbare Zahlen umgewandelt wird. Das Ablesen dieser Zahlen im Vergleich zur Anwendung ist der schnellste Weg, eine Nichtübereinstimmung zu erkennen, bevor das Material die Linie erreicht.

• Der Acrylnitrilgehalt in NBR reicht von etwa 18 Prozent für geringe Ölbeständigkeit bis zu 42 Prozent für starken Kraftstoffkontakt.
• Der Anteil von gebundenem Styrol in SBR beträgt in der Standard-Emulsionsqualität typischerweise etwa 23,5 Prozent, und ein höherer Styrolgehalt erhöht die Nasshaftung und die Wärmeentwicklung.
• Das Ethylen- und Propylenverhältnis sowie der ENB-Gehalt bestimmen, wie ein EPDM aushärtet und wie gut es Ozon verträgt.
• Die Mooney-Viskosität ML(1 4) bei 100 Grad Celsius liegt für eine gemischte Verbindung normalerweise zwischen 40 und 80.
• Asche, flüchtige Bestandteile und Schmutzgehalt legen die Obergrenze für die Auswahl der Naturkautschukqualität fest.

Wenn die Spezifikation am wichtigsten ist, sollten die Verbindungsdaten mit dem fertigen Teil und nicht mit dem Polymer allein verglichen werden. Die gleiche Argumentation gilt überall Industriegummiprodukte , von Blechen und Matten bis hin zu Schlauchabdeckungen und Riemenmischungen.

Wiedergewonnener Gummi: Komposition nach einem zweiten Leben

Wiedergewonnener Gummi wird aus gemahlenem Abfall, meist Altreifen, hergestellt, der devulkanisiert und wieder zu einer verarbeitbaren Folie veredelt wird. Das Material enthält immer noch Gummikohlenwasserstoff, enthält aber auch Ruß, Öl, Asche und Vulkanisationsrückstände, die in der Originalmischung enthalten waren.

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Der Prozess beginnt mit dem Schleifen, dann der magnetischen Trennung des Stahls und der Entfernung der Textilfasern. Es folgt die Devulkanisierung, entweder thermomechanisch, chemisch oder mikrowellenunterstützt, und durch die Raffinierung entsteht schließlich ein glattes Blech. Ein typisches Regenerat enthält etwa 40 bis 50 Prozent Gummikohlenwasserstoff, der Rest besteht aus Ruß und mineralischen Füllstoffen.

Die Zugabe von Rückgewinnung senkt die Rohstoffkosten und verhindert, dass Schrott auf der Mülldeponie landet, weshalb er regelmäßig in Matten, Unterlegkeilen und anderen unkritischen Gütern vorkommt. Es eignet sich schlecht für dynamische Dichtungen oder Hochtemperaturanwendungen, bei denen ein gleichmäßiger Druckverformungsrest wichtiger ist als der Preis.

Häufig gestellte Fragen

Wird Gummi aus Öl hergestellt?

Teilweise. Synthetischer Kautschuk wird aus Monomeren wie Butadien, Styrol und Isopren hergestellt, die aus Erdöl und Erdgas stammen. Bei Naturkautschuk ist dies nicht der Fall, da er aus dem Latex des Hevea brasiliensis-Baums stammt. Bei den meisten industriellen Gummiwaren wird das eine oder das andere verwendet, und viele verwenden beides in einer einzigen Mischung.

Was ist der Unterschied zwischen Natur- und Synthesekautschuk auf molekularer Ebene?

Naturkautschuk ist nahezu reines cis-1,4-Polyisopren, eine regelmäßige Kette, die unter Belastung kristallisiert und eine sehr hohe Festigkeit ergibt. Synthetische Sorten bestehen aus zwei oder mehr Monomeren, sodass die Kette entlang ihrer Länge unterschiedliche Seitengruppen trägt. Diese Seitengruppen sorgen für die Ölbeständigkeit bei NBR bzw. die Witterungsbeständigkeit bei EPDM.

Was bedeutet phr in einem Gummirezept?

Phr steht für Parts per Hundert Gummi. Jeder Inhaltsstoff wird im Verhältnis zu 100 Gewichtsteilen Gummipolymer ausgedrückt, sodass eine Mischung mit 50 phr Ruß halb so viel Schwarz wie Polymer enthält. Es handelt sich um ein Verhältnissystem, nicht um einen Prozentsatz der fertigen Mischung.

Kann Gummi ohne Schwefel hergestellt werden?

Ja. EPDM, Silikon und viele Spezialtypen werden mit Peroxiden, Phenolharzen oder Metalloxiden anstelle von Schwefel ausgehärtet. Schwefel bleibt das häufigste Heilmittel, da es kostengünstig ist und gut mit ungesättigten Ketten wie NR, SBR und NBR funktioniert.