JÄGER Busi­ness Blog

Mate­ri­al­aus­wahl bei der Gum­mi­pro­duk­ti­on –
Wel­che Kom­po­nen­ten sind entscheidend? 

01.09.2021   |   Dr. Robert Zahn

Verschiedene Polymere
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Gum­mi ist ein viel­sei­ti­ger Werk­stoff, der sich auf­grund sei­ner che­mi­schen und phy­si­ka­li­schen Eigen­schaf­ten für eine Viel­zahl indus­tri­el­ler Anwen­dungs­fäl­le eig­net. Die­se Viel­sei­tig­keit ergibt sich unter ande­rem dar­aus, dass eine Gum­mi­mi­schung ein kom­ple­xes Gemisch aus meh­re­ren Kom­po­nen­ten ist, von denen jede die Eigen­schaf­ten des Vul­ka­ni­sa­ts maß­geb­lich beein­flus­sen kann. Die eine Mischung zu fin­den, die jede Anfor­de­rung an das Vul­ka­ni­sat erfüllt, ist dabei oft eine Her­aus­for­de­rung, denn die Opti­mie­rung eines Fak­tors kann die wei­te­ren nega­tiv beein­flus­sen. Daher soll­ten Fer­ti­gungs­un­ter­neh­men die Kom­ple­xi­tät der Mate­ri­al­aus­wahl im Gum­mi­be­reich nicht unterschätzen. 

Gum­mi besteht nicht nur aus Kautschuk 

Eine Gum­mi­mi­schung besteht aus einer Viel­zahl von Roh- und Zuschlag­stof­fen, die sowohl die Ver­ar­bei­tung als auch die Eigen­schaf­ten des fina­len Pro­dukts maß­geb­lich beein­flus­sen. Dazu gehö­ren neben dem Kau­tschuk auch Füll­stof­fe, Weich­ma­cher, das Ver­net­zungs­sys­tem, Ver­ar­bei­tungs­hilfs­mit­tel sowie ver­schie­de­ne Addi­ti­ve (sie­he Tabel­le 1). 
Kom­po­nen­te
Effekt auf die Eigenschaften
Kau­tschuk
Basis­ei­gen­schaf­ten (Tem­pe­ra­tur­ver­hal­ten, che­mi­sche Bestän­dig­keit, Elastizität, …)
Füll­stoff
Här­te, Fes­tig­keit, Abrieb, elek­tri­sche Leitfähigkeit
Weich­ma­cher
Här­te, Ver­ar­beit­bar­keit, Reißdehnung
Ver­net­zungs­sys­tem
Vul­ka­ni­sa­ti­ons­ge­schwin­dig­keit, dyna­mi­sches und sta­ti­sches Verhalten
Ver­ar­bei­tungs­hilfs­mit­tel
Fließ­ver­hal­ten, Ent­form­bar­keit, Verarbeitungsverhalten
Addi­ti­ve
Far­be, Extru­datsta­bi­li­tät, Alte­rungs­ver­hal­ten, elektr. Leitfähigkeit, …

Tabel­le 1: Die wich­tigs­ten Kom­po­nen­ten einer Gum­mi­mi­schung und ihr Effekt auf die Eigen­schaf­ten des Vulkanisats.

Die grund­le­gen­de Kom­po­nen­te jeder Gum­mi­mi­schung ist das Poly­mer, der Kau­tschuk, der Basis­ei­gen­schaf­ten wie Tem­pe­ra­tur­ver­hal­ten, che­mi­sche Bestän­dig­keit oder auch Elas­ti­zi­tät vor­gibt. 

Bei der Zusam­men­stel­lung einer Gum­mi­mi­schung steht dem Her­stel­ler neben Natur­kau­tschuk eine Viel­zahl an syn­the­ti­schen Kau­tschu­ken zur Ver­fü­gung, die jeweils spe­zi­fi­sche Eigen­schaf­ten auf­wei­sen. Eini­ge Kau­tschu­ke bie­ten bei­spiels­wei­se eine aus­ge­zeich­ne­te Ölbe­stän­dig­keit, ande­re bestechen durch her­vor­ra­gen­de mecha­ni­sche Eigen­schaf­ten, wie­der­um ande­re durch eine sehr hohe Alte­rungs­be­stän­dig­keit. Für die meis­ten Anwen­dungs­fäl­le gibt es einen geeig­ne­ten Kau­tschuk, der die gewünsch­ten Eigen­schaf­ten bie­tet. 

Neben dem Kau­tschuk neh­men Füll­stof­fe (z. B. Ruße, Kie­sel­säu­re oder Krei­de) den men­gen­mä­ßig größ­ten Anteil inner­halb einer Gum­mi­mi­schung ein. Sie beein­flus­sen unter ande­rem die Här­te, die Fes­tig­keit, den Abrieb sowie die elek­tri­sche Leit­fä­hig­keit des Vul­ka­ni­sa­ts. Weich­ma­cher beein­flus­sen eben­falls die Här­te und die Ver­ar­beit­bar­keit der Mischung, aber auch die Dehn­bar­keit. Das Ver­net­zungs­sys­tem macht zwar nur einen klei­nen Teil der Gum­mi­mi­schung aus, hat aber gro­ßen Ein­fluss auf deren Eigen­schaf­ten. Es steu­ert in ers­ter Linie die Vul­ka­ni­sa­ti­ons­ge­schwin­dig­keit, beein­flusst aber auch ande­re Cha­rak­te­ris­ti­ka wie die Reiß­fes­tig­keit. Ver­ar­bei­tungs­hilfs­mit­tel beein­flus­sen die Hand­ha­bung der Gum­mi­mi­schung wäh­rend des Pro­duk­ti­ons­pro­zes­ses. Hier­zu gehö­ren bei­spiels­wei­se die Kleb­rig­keit und das Fließ­ver­hal­ten, also wie leicht die Mischung in eine Form gedrückt wer­den kann. Hin­zu kommt eine Viel­zahl wei­te­rer Addi­ti­ve, die unter ande­rem die Far­be, die Extru­datsta­bi­li­tät, das Alte­rungs­ver­hal­ten und die elek­tri­sche Leit­fä­hig­keit der Gum­mi­mi­schung beeinflussen.

Die Aus­wahl des Vernetzungssystems

Die klas­si­sche Ver­net­zungs­kom­po­nen­te für die Vul­ka­ni­sa­ti­on ist Schwe­fel. Aller­dings ist rei­ner Schwe­fel für eine Ver­net­zung wenig effi­zi­ent. Daher wer­den ihm in der Pra­xis Beschleu­ni­ger bei­gemischt, die ihn akti­vie­ren und dafür sor­gen, dass er sich sinn­voll in die Poly­mer­ket­te ein­fügt.

Je nach Ver­hält­nis zwi­schen Schwe­fel und Beschleu­ni­ger unter­schei­det man zwi­schen drei Vulkanisationsarten:

Alle drei Ansät­ze unter­schei­den sich hin­sicht­lich der Kos­ten, der Ver­net­zungs­ge­schwin­dig­keit und der phy­si­ka­li­schen Eigen­schaf­ten des Vul­ka­ni­sa­ts (sie­he Abbil­dung 1).

Abbil­dung 1: Ver­gleich der kon­ven­tio­nel­len, der semi-effi­zi­en­ten und der effi­zi­en­ten Vulkanisation.

Kon­ven­tio­nel­le Vulkanisation

Bei der kon­ven­tio­nel­len Vul­ka­ni­sa­ti­on ver­wen­det man viel Schwe­fel und wenig Beschleu­ni­ger. Die­se Metho­de zeich­net sich durch gute dyna­mi­sche Eigen­schaf­ten und eine hohe Fes­tig­keit aus. Außer­dem ist sie etwas güns­ti­ger als die ande­ren bei­den Vul­ka­ni­sa­ti­ons­ar­ten. Als Nach­teil ist eine gewis­se Rever­si­ons­nei­gung zu nen­nen, sprich es zeigt sich bei zu lan­ger Vul­ka­ni­sa­ti­on eine Ver­schlech­te­rung der Eigen­schaf­ten, was dann wie­der­um einen Ein­fluss auf den Fer­ti­gungs­pro­zess hat. 

Effi­zi­en­te Vulkanisation

Im Gegen­satz zur kon­ven­tio­nel­len Vul­ka­ni­sa­ti­on ver­wen­det man bei der effi­zi­en­ten Vul­ka­ni­sa­ti­on mehr Beschleu­ni­ger und weni­ger Schwe­fel. Dadurch steigt die Ver­net­zungs­ge­schwin­dig­keit, wäh­rend die Rever­si­ons­nei­gung sinkt. Die­se Art der Vul­ka­ni­sa­ti­on zeich­net sich durch einen guten Druck­ver­for­mungs­rest (DVR) und eine hohe Hit­zesta­bi­li­tät aus. Aller­dings sind die Kos­ten etwas höher, da Beschleu­ni­ger im Ver­gleich zu Schwe­fel teu­rer sind. 

Semi-effi­zi­en­te Vulkanisation

In der Pra­xis ver­wen­det man häu­fig einen hybri­den Ansatz, also ein aus­ge­wo­ge­nes Ver­hält­nis zwi­schen Schwe­fel und Beschleu­ni­gern, da die­ses Vor­ge­hen kei­ne signi­fi­kan­ten Schwä­chen auf­weist. Das ist in der Pra­xis ein deut­li­cher Vor­teil, da man hier meist eine Viel­zahl unter­schied­li­cher Anfor­de­run­gen betrach­ten muss. 

Gum­mi-Feder­ele­men­te für die Agrartechnik

In unse­rer Case Stu­dy erfah­ren Sie, was eine intel­li­gen­te Mate­ri­al­aus­wahl in der Pra­xis bewir­ken kann. 

Die Ver­net­zungs­dich­te

Neben dem Ver­hält­nis zwi­schen den bei­den Kom­po­nen­ten ist auch die rei­ne Men­ge an Ver­net­zungs­che­mi­ka­li­en rele­vant, denn mit der Anzahl der Ver­net­zungs­punk­te pro Volu­men­ein­heit ändern sich auch die Eigen­schaf­ten des Vul­ka­ni­sa­ts (sie­he Abbil­dung 2). Steigt die Ver­net­zungs­dich­te, neh­men sowohl die Här­te als auch die Elas­ti­zi­tät zu, wäh­rend Eigen­schaf­ten wie der Druck­ver­for­mungs­rest abneh­men. Ande­re Aspek­te wie die Reiß­fes­tig­keit ent­wi­ckeln sich dage­gen nicht line­ar. Sie stei­gen zunächst an, errei­chen dann ein Maxi­mum und sin­ken bei wei­ter zuneh­men­der Ver­net­zungs­dich­te wie­der ab.

Aus die­sem Grund ist es wich­tig, die Men­ge des Ver­net­zungs­sys­tems exakt an die Rah­men­be­din­gun­gen anzu­pas­sen. „Viel hilft viel“ gilt in die­sem Zusam­men­hang nicht und kann sich sogar als schäd­lich erweisen.

Kurve in Kautschuktechnologie stellt Eigenschaften und Vernetzungsdichte gegenüber

Abbil­dung 2: Effekt der Ver­net­zungs­dich­te auf ver­schie­de­ne Eigen­schaf­ten des Vulkanisats.

Das Füll­stoff­sys­tem

Eine wei­te­re wich­ti­ge Kom­po­nen­te, die es im Rah­men der Mate­ri­al­aus­wahl zu betrach­ten gilt, ist das Füll­stoff­sys­tem. Hier­bei unter­schei­den wir zwi­schen akti­ven (oder auch ver­stär­ken­den) und inak­ti­ven Füllstoffen:

Eine Über­sicht des Ein­flus­ses akti­ver und inak­ti­ver Füll­stof­fe auf Vis­ko­si­tät, Här­te, Reiß­fes­tig­keit und Abrieb eines Vul­ka­ni­sa­ts kön­nen Sie Abbil­dung 3 entnehmen. 
Kurven Kautschuktechnologie mit verschiedenen Aspekten

Abbil­dung 3: Über­sicht der Effek­te ver­stär­ken­der und inak­ti­ver Füll­stof­fe auf die Eigen­schaf­ten des Vulkanisats.

Zusam­men­ge­fasst: Intel­li­gen­te Mate­ri­al­aus­wahl ist ein Muss

Neben den Basis­ma­te­ria­li­en Kau­tschuk und Schwe­fel gibt es eine Viel­zahl wei­te­rer Kom­po­nen­ten, die in die Her­stel­lung eines Vul­ka­ni­sa­ts ein­ge­hen. Jeder die­ser Werk­stof­fe wirkt sich unter­schied­lich auf die Eigen­schaf­ten von Zwi­schen- und End­pro­duk­ten aus. Durch Inter­ak­ti­on zwi­schen den Kom­po­nen­ten bil­den sie gemein­sam ein Netz aus Ein­fluss­fak­to­ren, des­sen Kom­ple­xi­tät Fer­ti­gungs­un­ter­neh­men nicht unter­schät­zen soll­ten. Eine Mischung zu fin­den, die sämt­li­che Anfor­de­run­gen erfüllt, ist oft eine Her­aus­for­de­rung, denn die Opti­mie­rung eines Fak­tors kann sich in ande­ren Berei­chen nega­tiv aus­wir­ken. Das Prin­zip „viel hilft viel“ gilt daher in der Gum­mi­pro­duk­ti­on nicht. Unter­neh­men soll­ten statt­des­sen dar­auf ach­ten, schon bei der Mate­ri­al­aus­wahl die Eigen­schaf­ten des fer­ti­gen Pro­dukts in den Vor­der­grund zu stel­len. Intel­li­gen­te Ent­schei­dun­gen in die­ser frü­hen Pha­se loh­nen sich auf lan­ge Sicht. 

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Autor: Dr. Robert Zahn

Unser Mischungs­ex­per­te Dr. Robert Zahn hat an der Leib­niz Uni­ver­si­tät Han­no­ver in Zusam­men­ar­beit mit dem Deut­schen Insti­tut für Kau­tschuk­tech­no­lo­gie e.V. (DIK) pro­mo­viert. Dabei lagen die Schwer­punk­te im Bereich Elas­to­mer­che­mie und Kau­tschuk­tech­no­lo­gie. Er ist seit 2017 für Jäger am Stand­ort Han­no­ver in der Pro­dukt- und Pro­zess­ent­wick­lung für den Bereich Mate­ri­al­ent­wick­lung tätig.

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