Vulkanisation

Vulkanisierpresse in einer Reifenfabrik von Firestone, 1941.

Als Vulkanisation bezeichnet man Verfahren, bei denen thermoplastische Naturkautschuke oder Synthesekautschuke in elastomere Kunststoffe (Gummis) überführt werden. Bei der Vulkanisation werden zwischen den Makromolekülen der Kautschuke kovalente Vernetzungen gebildet,^[1] sodass sich die Moleküle nicht mehr frei gegeneinander bewegen können, was zu einem elastischen Verhalten führt.

Die klassische Vulkanisation ist die Umsetzung von Naturkautschuk mit Schwefel, die 1839 von Charles Goodyear entwickelt wurde.

Verfahren

Schwefelvulkanisation

Schematische Präsentation von zwei Polyisoprenketten (blau und grün) nach der Vulkanisation mit Schwefel (n = 0, 1, 2, 3 …). Die Polyisoprenketten sind hier über zwei Schwefelbrücken miteinander verknüpft.

Vulkanisationskurve

Zur Vulkanisation wird eine Kautschukmischung, bestehend aus Rohkautschuk, Schwefel oder schwefelspendenden Stoffen wie z. B. Dischwefeldichlorid (S₂Cl₂), Katalysatoren (zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit werden z. B. 2-Mercaptobenzothiazol oder Tetramethylthiuramdisulfid sowie Zinkoxid und Fettsäuren verwendet)^[2] und Füllstoffen erhitzt. Vulkanisiert wird heutzutage meist mit 1,8 bis 2,5 % Schwefel^[3] und einer Temperatur von 120 bis 160 °C. Dabei werden die langkettigen Kautschukmoleküle durch Schwefelbrücken vernetzt. Hierdurch gehen die plastischen Eigenschaften des Kautschuks bzw. der Kautschukmischung verloren, der Stoff wird mittels des Verfahrens der Vulkanisation vom plastischen in einen elastischen Zustand überführt.^[4]

Der bei diesem Verfahren entstehende Gummi hat gegenüber dem Ausgangsprodukt dauerelastische Eigenschaften, kehrt bei mechanischer Beanspruchung jeweils wieder in seine Ursprungslage zurück, hat eine höhere Reißfestigkeit, Dehnung und Beständigkeit gegenüber Alterung und Witterungseinflüssen.

Die Elastizität des Gummiwerkstoffs ist abhängig von der Anzahl der Schwefelbrücken. Je mehr Schwefelbrücken vorhanden sind, desto härter ist der Gummi. Die Anzahl der Schwefelbrücken ist wiederum abhängig von der zugesetzten Schwefelmenge und der Dauer der Vulkanisation. Bei Alterung des Gummis werden die Schwefelbrücken durch Sauerstoffbrücken ersetzt; der Gummi wird brüchig und porös.

Andere Verfahren

Neben der klassischen Schwefelvulkanisation erfolgt die Vernetzung von Kautschuken häufig auch mittels Peroxiden, Metalloxiden oder energiereicher Strahlung. Da die Vulkanisation mit Schwefel die Anwesenheit von Doppelbindungen erfordert, kommen besonders bei Kautschuken, die keine Doppelbindungen enthalten (z. B. EPM, EVA), diese Verfahren zum Einsatz. Metalloxide kommen u. a. bei der Vernetzung von Chloropren-Kautschuk zum Einsatz. Verbindungen wie Dibutylamin beschleunigen die Vulkanisation. Der Verlauf der Vulkanisation kann mit einem Prüf- bzw. Messgerät, dem Vulkameter oder auch einem einfachen Rheometer, gemessen und graphisch dokumentiert werden.

Die Vulkanisation von Chloropren-Kautschuk bzw. Neopren (CR-Kautschuk) erfolgt unter Verwendung von Metalloxiden (insbesondere MgO und ZnO, manchmal auch PbO). Darüber hinaus wird aufgrund anderer Verarbeitungsfaktoren (hauptsächlich ‚Scorch‘ oder ‚Versengen‘, wobei dies die vorzeitige Vernetzung von Kautschuken aufgrund des Einflusses von Wärme ist) die Auswahl von Beschleunigern durch andere Parameter geregelt. Die meisten herkömmlich verwendeten Beschleuniger sind problematisch, wenn CR-Kautschuke gehärtet werden. Als wichtigster Beschleuniger wird dafür Ethylenthioharnstoff (ETU) eingesetzt. Diese Substanz ist zwar ein hervorragender und bewährter Katalysator für Polychloropren, aber sie ist als fortpflanzungsgefährdend eingestuft. Die Europäische Gummiindustrie hat das Forschungsprojekt SafeRubber^[5] gestartet, um eine sicherere Alternative zur Verwendung von ETU zu entwickeln.

Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Nitrilkautschuk (NBR) können auch rein thermisch vulkanisiert werden (Thermovulkanisation).

Vulkanisationsbeschleuniger

Ultrabeschleuniger
Dithiocarbamate, Thiuram-disulfide und -monosulfide, Xanthogenate

Semiultrabeschleuniger / Halbultrabeschleuniger
Mercaptobenzothiazol und Aldehydamin-Kondensationsprodukte

Mäßig starke Beschleuniger
Dibenzothiazyldisulfid, DCBS, Diarylguanidine wie Diphenylguanidin, Arylbiguanide wie o-Tolylbiguanid, Urotropin, Aldehydammoniak und die meisten Kondensationsprodukte aus aliphatischen Aldehyden und aromatischen Aminen

Schwache Beschleuniger
Triarylguanidine, Diarylthioharnstoffe und die Kondensationsprodukte aus Formaldehyd und aromatischen Aminen^[6]

Lehrberuf

Mechaniker/in für Reifen- und Vulkanisationstechnik ist in Österreich ein anerkannter Ausbildungsberuf. In Deutschland ist der Lehrberuf als Verfahrensmechaniker Fachrichtung Kunststoff/und Kautschuktechnologie Schwerpunkt Formteile anerkannt und dauert 3 Jahre. Gelernte Vulkaniseure/Vulkaniseurinnen werden meist im Reifenservice beschäftigt. Aufgrund weitgehender Automatisierung bzw. Mechanisierung in der Reifenherstellung liegt die Hauptaufgabe im Berufsbild in der Reparatur, Wartung und Runderneuerung von Reifen und Fahrwerkseinstellungen des Kfz.

Literatur

H.-W. Engels: Rubber, 4. Chemicals and Additives. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH Verlag, 2004 (ausführliche Übersicht zu Gummi und Vulkanisation).

Weblinks

Wiktionary: Vulkanisation – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Berufs- und Brancheninfos der Wirtschaftskammer Österreich

Einzelnachweise

↑ Eintrag: vulcanization. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”). doi:10.1351/goldbook.VT07153 (Version: 2.3.3).
↑ M. D. Lechner, K. Gehrke, E. H. Nordmeier: Makromolekulare Chemie. 4. Auflage. Birkhäuser Verlag, 2010, ISBN 978-3-7643-8890-4, S. 485.
↑ Karlheinz Biederbick: Kunststoffe. 4. Auflage. Vogel-Verlag, 1977, ISBN 3-8023-0010-6, S. 82.
↑ Joachim Buddrus: Grundlagen der Organischen Chemie. 4. Auflage. Walter de Gruyter Verlag, Berlin 2011, ISBN 978-3-11-024894-4, S. 897.
↑ SafeRubber, an alternative for accelerators in the production of rubber (Memento vom 14. April 2015 im Internet Archive).
↑ M. Bögemann: Zur Geschichte und Bedeutung der organischen Vulkanisationsbeschleuniger. In: Angewandte Chemie. 51, Nr. 8, 1938-02-26 S. 113–115, doi:10.1002/ange.19380510802.

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[Gold_Book-1] Eintrag: vulcanization. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”). doi:10.1351/goldbook.VT07153 (Version: 2.3.3).

[Lechner-2] M. D. Lechner, K. Gehrke, E. H. Nordmeier: Makromolekulare Chemie. 4. Auflage. Birkhäuser Verlag, 2010, ISBN 978-3-7643-8890-4, S. 485.

[Biederbick-3] Karlheinz Biederbick: Kunststoffe. 4. Auflage. Vogel-Verlag, 1977, ISBN 3-8023-0010-6, S. 82.

[Buddrus-4] Joachim Buddrus: Grundlagen der Organischen Chemie. 4. Auflage. Walter de Gruyter Verlag, Berlin 2011, ISBN 978-3-11-024894-4, S. 897.

[5] SafeRubber, an alternative for accelerators in the production of rubber (Memento vom 14. April 2015 im Internet Archive).

[6] M. Bögemann: Zur Geschichte und Bedeutung der organischen Vulkanisationsbeschleuniger. In: Angewandte Chemie. 51, Nr. 8, 1938-02-26 S. 113–115, doi:10.1002/ange.19380510802.

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