17.05.2010

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Elastische Multitalente im Härtetest

Und immerhin werden ja auch etwa 60 % der jährlich weltweit eingesetzten rund 22 Mio. t Kautschuk zu Reifen jeder Art verarbeitet. Aber der elastische Werkstoff kann noch viel mehr. Grob könnte man seine Einsatzfelder mit "Dichten, Dämpfen, Transportieren" umreißen. Doch auch hinter den drei Worten steckt mehr, als auf den ersten Augenblick scheint, denn meist wirken die Produkte aus Kautschuk im Verborgenen, so dass die extreme Vielseitigkeit des Werkstoffes kaum einem Nichtfachmann bewusst ist. Kautschukprodukte dichten z. B. Dächer von großen Stadien wie auch kleine medizinische Ampullen, lassen Züge sanft dahingleiten, bringen Motoren zum leisen Arbeiten, verhelfen Förderbandanlagen zum energiesparenden Rollen und Windkraftanlagen zum richtigen Schwung, sorgen für Softtouch-Feeling auf Bedienelementen, schützen als Sicherheitsanzüge Menschen vor gefährlichen Stoffen, transportieren als Riemen unterschiedlichster Form Energie und als Schläuche verschiedenster Art fluide Materialien in Haushalt, Industrie und Medizin.
Seit der Erfindung des Synthesekautschuks vor 100 Jahren wurden dem Werkstoff in einer enormen Vielzahl verschiedener Polymere immer wieder neue, ganz spezifische Eigenschaften verpasst. Wichtige Entwicklungen gab es in den letzten Jahren u. a. für Anwendungen im Bereich unter der Motorhaube, weil die Bedingungen dort immer drastischer werden. Selbst simple Schläuche und Dichtungen müssen heute dauerhaft Temperaturen um 150 °C widerstehen. Temperaturspitzen bis zu 180 °C, aggressive Medien wie Kraftstoff und Motoröl sowie mehrere Millionen Arbeitszyklen zwingen dabei Standardelastomere förmlich in die Knie. Normalerweise bieten sich hier Fluorkautschukspezialitäten wie FKM als die Klassiker für thermische und chemische Beständigkeit an, doch sie sind oft schwieriger als Standardtypen zu verarbeiten. Vor einigen Jahren hat DuPont Performance Elastomers mit den Viton-APA-Typen (APA = Advanced Polymer Architecture) hierbei einen Durchbruch erzielt. Die damit erreichten Fließ-, Vernetzungs- und Entformungseigenschaften ähneln denen von Standard-Fluorkautschuken, während die Eigenschaften der Endprodukte denen der leistungsstärksten Spezialitäten entsprechen.
Geht man von der anderen Seite, also guter Verarbeitbarkeit heran, stößt man auf die Flüssigsilicone (LSR), deren hohe Temperaturbeständigkeit allerdings mit einer nur mäßigen Resistenz gegenüber organischen Chemikalien gepaart ist. Abhilfe schaffte hier u. a. Wacker mit der Entwicklung von Fluorflüssigsiliconen (FLR), die sich durch eine gute Beständigkeit gegenüber Motorölen auch bei hohen Temperaturen auszeichnen. Noch einen drauf setzte Momentive Performance Materials mit den voll fluorierten Flüssigsiliconen (FFSL). Diese halten wie die FLRs Diesel und heißen Ölen stand, weisen darüber hinaus aber auch eine den peroxidisch vernetzenden Fluorsiliconen (FVMQ) vergleichbare erweiterte chemische Beständigkeit auf. Diese werden überall dort eingesetzt, wo eine hervorragende Temperaturflexibilität in Kombination mit der Beanspruchung durch Kraftstoffe, Öle und Blow-by-Gas gefragt ist.
Fluorelastomere kommen ebenfalls ins Spiel, wenn es um Biodiesel geht, der zwar als umweltfreundlich gilt, sich aber auch als besonders aggressiv gegenüber klassischen Dichtungs- und Schlauchmaterialien erwiesen hat. Ein von Dyneon speziell für diese Anwendung entwickelter FPO-Typ zeigte sich in Langzeittests bei 150 °C als sehr beständig gegenüber der in Europa gebräuchlichsten Biodieselvariante Rapsölmethylester.
Sind die Fluorkautschuke auch von ihren Eigenschaften her hervorragend für die anspruchsvollen Aufgaben im Automobilmotorraum geeignet, haben sie doch einen gemeinsamen Nachteil: den relativ hohen Preis. Daher wurde der bewährte Acrylkautschuk als Alternative für einige Anwendungen weiterentwickelt. So bietet bspw. Zeon mit seinen Hochtemperatur-Polyacrylatelastomeren HyTemp (HT-ACM) einen solchen Werkstoff. Diese sind für den kontinuierlichen Einsatz bei Temperaturen von 175 °C und für Temperaturspitzen von bis zu 200 °C zusammen mit Luft, Motorenöl, Getriebeöl und Diesel geeignet. Sie gewährleisten dabei eine Flexibilität bis -35 °C bei nur geringer Härteveränderung und Volumenquellung. Mit dem neuen HyTemp AR212HR aus dieser Produktreihe wurde eine Type speziell für das Extrusionsverfahren entwickelt. Es eignet sich damit für Turboladeluftschläuche, Getriebeölkühlerschläuche (TOCH) und Decken von Auto- und Industriekabeln unter dauerhaften Arbeitstemperaturen von bis zu 175 °C. Auch Du Pont Performance Elastomers hat seine Ethylen-Acrylat-Kautschuke Vamac an die neuen Anforderungen angepasst. Die GXF-Reihe ist eine Lösung, wenn es um hohe dynamische Festigkeit bei hohen Temperaturen und Einwirkung von Ölen geht.
Einen anderen Klassiker hat Kautschukpionier Lanxess fit für die neuen Anforderungen gemacht. Hydrierte Nitrilkautschuke (HNBR) haben sich bereits in Highend-Einsatzfeldern bei Temperaturen um 150 °C in heißer und öldampfbeladener Luft einen guten Namen gemacht. Die HNBR-Typen Therban AT erweitern die Potenziale dieses Hochleistungselastomers aber noch einmal. Sie sind weniger viskos als gängige HNBR-Kautschuke und lassen sich daher leichter verarbeiten. So lassen sie sich mit geringeren Drücken aus der Düse der Spritzgießanlage pressen, mischen sich leichter mit anderen Gummikomponenten wie z. B. Ruß und benötigen weitaus weniger Hilfschemikalien, als dem klassischen HNBR zur Verarbeitung beigemischt werden mussten. Neben den Verarbeitungsvorteilen bietet die höhere Füllstoffaufnahme mehr Freiheitsgrade für die Einstellung von Härte und Druckverformungsrest. Durch Erhöhung des Acrylnitrilanteils hat Lanxess den HNBR-Kautschuk jetzt auch einsatzfähig für Biokraftstoffanwendungen gemacht.
Aufgrund der einfacheren Verarbeitbarkeit erobert sich die relativ junge Werkstoffgruppe der thermoplastischen Elastomere (TPE) immer mehr Anwendungen im Automobilbereich. Waren die neuartigen Elastomere, die sich wie Thermoplaste aufschmelzen lassen, zunächst auf Softtouch-Anwendungen im Fahrzeuginnenraum oder Profile im Innen- und Außenbereich beschränkt, drängen auch sie nun unter die Motorhaube und ersetzen dort teilweise klassische Kautschukanwendungen.
So fertigt bspw. der französische Kfz-Zulieferer MGI Coutier Luftkanäle im Motorraum aus thermoplastischen Copolyester-Elastomeren (TPE-E) Arnitel von DSM Engineering Plastics, Niederlande. Die hohe Kristallinität des Materialtyps sorge für erhöhte Leistung vor allem bei hohen Temperaturen, heißt es bei MGI Coutier. Wanddicke und Gewicht ließen sich damit im Vergleich zu Kautschuk um bis zu 70% reduzieren. Hinzu kommt ein hoher Schmelzpunkt, der Temperaturspitzen von bis zu 175°C zulässt. Der thermoplastische Copolyester hat eine Dauereinsatztemperatur von 150 °C über 800 bis 1 000 Stunden und liefert damit laut Hersteller einen dreimal so hohen E-Modul wie Vorgängermaterialien.
Für die hohen Temperaturen im Motorraum sind auch die thermoplastischen Vulkanisate (TPV) geeignet. In der Produktreihe Zeotherm bietet der japanische Kautschukhersteller Zeon verschiedene TPV-Typen für das Spritzgießen und Blasformen. Sie sind dauerhaft bei Temperaturen bis 150 °C beständig und überstehen auch Temperaturspitzen bis zu 175 °C. Darüber hinaus haften sie auf Polyamid, so dass sie zur Herstellung von 2K-Teilen geeignet sind. Das Material wird bspw. für Luftführungen (Ladeluftkühler) und Manschetten für die Lenksäule genutzt. Dabei sorgt es für eine hohe Dichtigkeit und Isolierung unter Motorraumbedingungen. Darüber hinaus eignet es sich für Isoliermuffen in Ansaugleitungen bei Turbodieselmotoren, in denen üblicherweise AEM-Kautschuk zum Einsatz kommt.
Mit einer Temperaturbeständigkeit bis zu 170 °C bei gleichzeitiger Medienresistenz gegen Motor- und Getriebeöl sind die Eigenschaften des TPVs Hipex von Kraiburg TPE mit denen von Hochleistungs-Gummicompounds vergleichbar. Das Material auf Basis hydrierter Styrol-Blockcopolymere (HSBC) haftet zudem auf allen wichtigen Hartkomponenten (PA, POM und PBT) im Motorraum. Dies ermöglicht eine einfachere Herstellung von 2K-Teilen, als es mit ACM- oder AEM-Kautschuk der Fall wäre, da keine Vulkanisation nötig ist.
Aufgrund der vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten elastischer und thermoplastischer Phasen bzw. Polymerblöcke gehören die TPEs zu den sich am dynamischsten entwickelnden Elastomeren und finden auch außerhalb des Automobilbaus immer neue Anwendungen. So bspw. in der Medizintechnik. Neben der einfachen Verarbeitung ist hier von Vorteil, dass wegen der wegfallenden Vernetzung keine Vulkanisationsrückstände im Produkt verbleiben - ein wichtiges Kriterium für Medizinanwendungen. Kraiburg TPE hat diesem Trend erst kürzlich gleich mit einer ganzen neuen Produktreihe Rechnung getragen.
Ein weiterer Trend bei den TPEs geht in Richtung "Bio". Weil von Verarbeitern und deren Kunden vehement gefordert, halten jetzt auch nachwachsende Rohstoffe sowie bioabbaubare Polymere Einzug in die TPE-Welt. Diese Entwicklung ist eine Herausforderung für die Hersteller. Denn erwartet werden "biobasierte Materialien mit mindestens gleichen Eigenschaften wie bereits bekannte TPEs, aber keinen Cent teurer", heißt es in Fachkreisen. Einsatzfelder seien vor allem Bereiche, in denen der Endkunde das Biomaterial sehen und fühlen kann, wie z. B. in Sport- und Lifestyle-Anwendungen. Im Markt verfügbar sind inzwischen u. a. biobasierte TPUs von Bayer MaterialScience und Elastogran, Polyetherblockamide (TPAs) von Arkema, die zu 100 % aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen, sowie ein vollständig biologisch abbaubares Material des italienischen Herstellers API.
Doch auch der älteste Biokunststoff überhaupt, der Naturkautschuk, ist immer eine Neuigkeit wert. Die geografisch eng begrenzte Kultivierung des pflanzlichen Kautschuklieferanten Hevea brasiliensis weckte schon immer Begehrlichkeiten auf Seiten der Importeure des wertvollen Rohstoffes. 1867 gelang es den Briten, durch Ausschmuggeln des Samens das brasilianische Monopol zu brechen. Im zweiten Weltkrieg experimentierten u. a. deutsche, russische und amerikanische Chemiker mit Löwenzahn, der ebenfalls Naturkautschuk produziert. Da der Saft sofort nach dem Austritt aus der Pflanze unkontrolliert polymerisiert, waren die Versuche aber nicht von Erfolg gekrönt. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und angewandte Ökologie in Aachen haben diese alte Idee jetzt wieder aufgegriffen. Genetisch veränderte Löwenzahnpflanzen sollen ihr nun zum Durchbruch verhelfen und vielleicht die Abhängigkeit von den asiatischen Lieferanten verringern.
Doch zurück zum Autoreifen. Wachsendes Umweltbewusstsein und die Ölpreisentwicklung sind dabei, das klassische Gummiprodukt schlechthin wieder einmal rundzuerneuern. Beim Pkw sind heute rund 20 %, beim Lkw rund 30 % des Kraftstoffverbrauches auf den Rollwiderstand der Reifen zurückzuführen. Daher ist es eines der obersten Ziele der Reifenentwickler, diesen weiter zu senken. Mit der Entwicklung des "Grünen Reifens" setzte Michelin Anfang der 90er Jahre hierbei bereits einen Meilenstein. Grundlage dafür war u. a. der Einsatz von Silica als Füllstoff. Lanxess hat gerade einen neuen Nd-BR-Kautschuktyp herausgebracht, der durch seine hohe Rückprallelastizität ebenfalls den Rollwiderstand senkt. Jedoch stehen die Reifenentwickler immer wieder vor einem Dilemma. Aus gummiphysikalischen Gründen besteht ein Zielkonflikt zwischen den Reifeneigenschaften Nasshaftung, Abriebbeständigkeit und Rollwiderstand. Der auch magisches Dreieck genannte Effekt bewirkt bei einer Verbesserung einer der drei Eigenschaften eine Verschlechterung der anderen. Nanotechnologie soll jetzt das magische Dreieck überwinden helfen. Laut Lanxess ist ein neues Additiv aus Nanopartikeln in der Lage, Nasshaftung, Rollwiderstand und Lebensdauer von Reifen gleichzeitig zu verbessern.
Mit den neuen Werkstoffen wandelt sich auch die Gummiverarbeitung. Steigende Rohstoffkosten und sich verringernde Abnehmerpreise zwingen die Verarbeiter zu immer effizienteren Produktionsmethoden. Auf der K 2010 vom 27. Oktober bis 3. November in Düsseldorf, der weltgrößten Fachmesse für Kunststoffe und Kautschuk, werden viele der neuen Möglichkeiten vorgestellt werden. Insbesondere in der Spritzgießverarbeitung gab es in den letzten Jahren eine Vielzahl neuer Entwicklungen, die jeweils schnell zum Standard wurden. Furore machte 2006 die mit dem DKG-Award ausgezeichnete selbstoptimierende Spritzgießmaschine von Maplan, die mit wenigen Zyklen die Verarbeitungsbedingungen auf kurze Vulkanisationszeiten und optimale Produktqualität regelt. Inzwischen bieten alle Gummispritzgießmaschinenhersteller zum Teil recht unterschiedliche Techniken zur Heizzeitverkürzung, die neben Zeit auch Energie sparen und eine konstant hohe Qualität der Produkte gewährleisten. Fortschritte gibt es darüber hinaus in der Kaltkanaltechnologie, mit der sich teures Material sparen lässt, weil im Gegensatz zur Heißkanaltechnik kein Angussabfall entsteht. Je nach Anspruch gibt es hier eine große Bandbreite vom Standardkaltkanal bis zur aktiv geregelten Düsentechnik, wie sie bspw. Desma anbietet. Mit einem von Desma entwickelten variablen Kaltkanal, bei dem einzelne verstellbare Düsen schnell an vorhandene Werkzeuge angepasst werden können, lohnt sich diese Technologie jetzt sogar für kleine Serien. Neuester Trend sind elektrische angetriebene Gummispritzgießmaschinen. Von der bisher fast ausschließlich in der Thermoplastverarbeitung genutzten energieeffizienten Technik können nun auch die Gummiverarbeiter profitieren. Die Möglichkeiten reichen dabei vom vollelektrischen Antrieb, wie von Engel angeboten, bis zur Hybridtechnik, wie sie Maplan bereits realisiert hat.

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