Elastomere

Elastomere (Kautschuke) sind spezielle Polymere, die sehr elastisch sind. Sie sind leicht vernetzt und amorph mit einer Glasübergangstemperatur weit unterhalb der Raumtemperatur. Man kann sie sich als ein einziges sehr großes Molekül von makroskopischer Größe vorstellen. Die intermolekularen Kräfte zwischen den Polymerketten sind eher schwach. Die Vernetzungen unterdrücken das irreversible Fließen vollständig, aber die Ketten sind bei Temperaturen oberhalb des Glasübergangs sehr flexibel, und eine kleine Kraft führt zu einer großen Verformung (siehe auch Gummielastizität).1 Daher haben Elastomere im Vergleich zu anderen Polymeren einen niedrigen E-Modul und eine sehr hohe Bruchdehnung. Der Begriff Elastomer wird oft austauschbar mit dem Begriff Kautschuk verwendet, obwohl letzterer bevorzugt wird, wenn er sich auf vulkanisierte Kautschuke bezieht.

Elastomere können in drei große Gruppen unterteilt werden: Dien-, Nicht-Dien- und thermoplastische Elastomere. Dien-Elastomere werden aus Monomeren polymerisiert, die zwei aufeinanderfolgende Doppelbindungen enthalten. Typische Beispiele sind Polyisopren, Polybutadien und Polychloropren. Zu den Nicht-Dien-Elastomeren gehören Butylkautschuk (Polyisobutylen), Polysiloxane (Silikonkautschuk), Polyurethan (Spandex) und Fluorelastomere. Nicht-Dien-Elastomere haben keine Doppelbindungen in der Struktur und daher erfordert die Vernetzung andere Methoden als die Vulkanisation, wie z. B. die Zugabe von trifunktionellen Monomeren (Kondensationspolymere) oder die Zugabe von Divinylmonomeren (radikalische Polymerisation) oder die Copolymerisation mit kleinen Mengen von Dienmonomeren wie Butadien.Thermoplastische Elastomere wie SIS- und SBS-Blockcopolymere und bestimmte Urethane sind thermoplastisch und enthalten starre (harte) und weiche (gummiartige) Wiederholungseinheiten. Wenn sie aus dem Schmelzzustand auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur abgekühlt werden, erfolgt eine Phasentrennung der harten Blöcke, um starre Domänen zu bilden, die als physikalische Vernetzungen für die elastomeren Blöcke fungieren.

Die Herstellung von Elastomerteilen erfolgt auf eine von drei Arten: Spritzgießen, Spritzpressen oder Formpressen. Die Wahl des Formgebungsverfahrens hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Form und Größe der Teile, die geforderte Toleranz sowie die Menge, der Typ des Elastomers und die Rohstoffkosten.

Wie bei fast jedem Material müssen bei der Auswahl des richtigen Elastomerprodukts für die Anwendung viele Faktoren berücksichtigt werden, darunter die mechanischen und physikalischen Anforderungen, die Einwirkung von Chemikalien, die Betriebstemperatur, die Lebensdauer, die Herstellbarkeit der Teile sowie die Rohstoff- und Herstellungskosten.

Wärmebeständigkeit

Die Leistung eines Elastomers wird weniger vorhersehbar und zuverlässig, wenn ein Elastomer in der Nähe der Grenzen seines Betriebstemperaturbereichs eingesetzt wird. Sinkt z. B. die Temperatur, werden Elastomere härter und weniger flexibel, und wenn die Temperatur die Glasübergangstemperatur erreicht, verlieren sie ihre gummiartigen Eigenschaften vollständig. Bei noch niedrigeren Temperaturen, d. h. beim Erreichen des Sprödpunktes, können sie reißen. Änderungen der Elastomereigenschaften durch niedrige Temperaturen sind in der Regel physikalisch bedingt und vollständig reversibel, es sei denn, das Elastomerteil wird großen Spannungen ausgesetzt, die unterhalb der Spröd- oder Glasübergangstemperatur Schäden verursachen können. Das Gegenteil ist der Fall, wenn ein Elastomer hohen Temperaturen ausgesetzt wird, d. h. Temperaturen nahe oder oberhalb der Gebrauchstemperaturgrenze. Bei diesen Temperaturen erfahren Elastomere oft irreversible chemische Veränderungen. Beispielsweise kann es zu einer Kettenspaltung des Polymerrückgrats oder zu einer Vernetzung der Polymermoleküle kommen, wodurch das Elastomerteil entweder (viel) weicher oder steifer wird, was wiederum die Druckverformungsresistenz verringert.

Die maximale Gebrauchstemperatur kann von Elastomer zu Elastomer stark variieren. Die höchsten Dauergebrauchstemperaturen haben Silikon- und Fluorkohlenstoffelastomere, die 400°F (230°C)2 überschreiten können, gefolgt von Polyacryl- und hydrierten Nitril-Elastomeren mit einer maximalen Gebrauchstemperatur zwischen 320 und 350°F (160 – 180°C), während eher gewöhnliche Elastomere wie Neopren und Nitril eine maximale Betriebstemperatur zwischen 210 bis 250°F (100 – 120°C) haben.

Flüssigkeitskompatibilität

Eine starke Quellung und eine schnelle Verschlechterung oder ein kompletter Ausfall eines Elastomerteils kann auftreten, wenn das Elastomer nicht mit der Flüssigkeit kompatibel ist, der es ausgesetzt ist. Faktoren wie Chemikalienkonzentration, Betriebstemperatur und Druck beeinflussen die Stabilität / Verträglichkeit mit den Chemikalien. Im Zweifelsfall sollte das Elastomer vor dem Einsatz in Funktionstests bewertet werden.

Da in vielen Anwendungen Kohlenwasserstofföle zum Einsatz kommen, werden Elastomerteile wie z. B. Dichtungen nach ihrer Hitze- und Ölbeständigkeit klassifiziert. Im ASTM D2000-System werden Elastomere zum Beispiel nach ihrer Hitzebeständigkeit (Typ) und ihrer Ölbeständigkeit (Klasse) eingeteilt. Fluorsilikon- und Fluorkohlenstoff-Elastomere haben eine ausgezeichnete Ölbeständigkeit bei hohen Temperaturen (> 200°C). Andere Elastomere mit guter Öl- aber nur mittlerer Wärmebeständigkeit sind NBR, ACM und HNBR. Bei ACM und HNBR sollte die Betriebstemperatur in Kohlenwasserstoffölen 150°C und bei NBR 100°C nicht überschreiten. Silikon- und Neopren-Elastomere haben nur eine mittlere Ölbeständigkeit. Silikonelastomere können jedoch bei wesentlich höheren Temperaturen als Neopren betrieben werden. Schlechte Ölbeständigkeit ist bei EPDM, SBR, Butyl (IIR, CIIR, BIIR) und Elastomeren auf Naturkautschukbasis (NR, IR) zu erwarten.

Abrieb- und Reißfestigkeit

Abriebfestigkeit ist im Allgemeinen ein wichtiges Auswahlkriterium für dynamische Dichtungs- und Reifenanwendungen von Elastomeren, während eine gute Reißfestigkeit für andere mechanische Anwendungen wichtig sein kann, bei denen die Elastomere Einkerbungen, Schnitten und Rissen widerstehen müssen.Elastomere wie hydriertes Nitril (HNBR), Polyester (AU) und Polyether-Urethane (EU), Isopren-Kautschuk (NR/IR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Tetrafluorethylen-Propylen-Copolymere haben eine inhärente Abriebfestigkeit, während Silikon (VMQ), Butyl (IIR) und Perfluor-Elastomere (FFKM) eine schlechte Abriebfestigkeit aufweisen. In vielen Fällen kann die Abrieb- und Reißfestigkeit durch Compoundierung mit internen Gleitmitteln wie Teflon® oder Molybdändisulfid verbessert werden. Nitril- und Acrylelastomere haben eine gute Abriebfestigkeit, wobei carboxyliertes Nitril (XNBR) eine deutlich bessere Abriebfestigkeit aufweist.

Die meisten Elastomere mit guter Abriebfestigkeit haben auch eine gute Weiterreißfestigkeit und Elastomere mit schlechter Abriebfestigkeit haben meist auch eine schlechte Weiterreißfestigkeit. So sind z.B. Silikon und Fluorsilikon aufgrund ihrer schlechten Reiß- und Abriebfestigkeit nur für statische Anwendungen geeignet.

Preis

Der Preis ist eines der wichtigsten Auswahlkriterien. Unter der Annahme, dass mehr als ein Elastomer alle anderen Anforderungen für eine bestimmte Anwendung erfüllt, wird in der Regel der Preis bestimmen, welches Elastomer ausgewählt wird. Die Preise von Elastomeren können aufgrund von Unterschieden bei den Rohstoff-, Compoundierungs- und Verarbeitungskosten stark variieren. Preiswerte Elastomere sind Styrol-Butadien (SBR) < Naturkautschuk (NR) < Isopren (IR) < Neopren (CR) < Nitril (NBR) Kautschuke, während EPDM < Urethan < Silikon < Polyacrylat (ACM) < Butyl (IIR) < hydriertes Nitril (HNBR) sind etwas teurer, aber oft noch eine wirtschaftliche Wahl. Teure Elastomere sind Fluorkohlenstoffe (FKM) (Copolymere) < Perfluorkohlenstoffe (FFKM) < Fluorsilikone (FVMQ). Diese Elastomere werden meist nur dann gewählt, wenn kein anderes Elastomer die Anforderungen erfüllen kann.

Hinweise

1. Elastomere werden oft als viskoelastische Werkstoffe bezeichnet (siehe z.B. Wikipedia). Viskoelastisches Fließen ist jedoch unerwünscht, d.h. ein „echtes“ Elastomer sollte nach Wegnahme einer einwirkenden Kraft immer in seine unverformten Maße zurückkehren, d.h. es sollte keine merkliche bleibende Verformung zu beobachten sein, wenn ein Elastomer unter seine Elastizitätsgrenze gedehnt und dann entspannt wird.
2. Einige Typen können für den Dauereinsatz bei noch höheren Temperaturen geeignet sein (>600°F oder > 315°C).