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Glossar

CSM - Chlorsulfoniertes Polyethylen (Hypalon®)

chem-Formel-CSM-1Chlorsulfoniertes Polyethylen

andere Bezeichnung: Chlorsulfonyl-Polyethylenkautschuk

Kurzzeichen: CSM

CAS-Nr.: 68037-39-8

 

Wichtige Handelsnamen und Markeneigner

HYPALON®     -           DuPont

TOSO-CSM®   -           Tosoh Corp.

 

Geschichtliches

Polyethylen, ein heute allgegenwärtiger Kunststoff, wurde bereits im Jahre 1898 von dem deutschen Chemiker Hans von Pechmann (1850 - 1902) erstmalig synthetisiert. Der erste kommerzielle Produzent dafür war das britische Chemieunternehmen Imperial Chemical Industries (ICI), das 1933 die Versuchsproduktion aufnahm und 1940 mit der regulären Produktion begann. Aber erst in den 1970er Jahren, nachdem die beiden Chemiker und Nobelpreisträger Karl Ziegler (1898 - 1973) und Guillo Natta (1903 - 1979) den nach ihnen benannten Katalysator vorgestellt hatten und das großtechnische Syntheseverfahren dadurch eine grundlegend neue Basis erfuhr, wurde Polyethylen zum Massenkunststoff.

Zwischenzeitlich hatte es nicht an Bemühungen gefehlt, die chemisch-technischen Eigenschaften von Polyethylen mit dem Ziel zu verändern, es zu einem Synthesekautschuk zu wandeln. Ein naheliegender Schritt dafür war die direkte Chlorierung des Polyethylens mit Chlorgas, das als kaum verwertbares Abprodukt bei vielen chemischen Industrieprozessen anfiel und daher reichlich verfügbar war. Das so gewonnene, chlorierte Polyethylen (PE-C) hatte zwar kautschukähnliche Eigenschaften, es konnte jedoch andere, schon eingeführte Elastomere nicht verdrängen. Indessen gewann es als Komponente für Blends mit Polyvinylchlorid (PVC-U) schnell an Bedeutung, die bis heute fortbesteht. Es ist bestens dafür geeignet, das harte und schlagzähe, weichmacherfreie PVC witterungsbeständig auszurüsten. Derartig “legiertes“ Polyvinylchlorid eignet sich ohne Einschränkungen für  Außenkonstruktionen, etwa für lichtdurchlässige Bedachungen von Hallen und für den Gewächshausbau.

Erst die Sulfochlorierung von Polyethylen, die Umsetzung des Polymers zu Chlorsulfonyl-Polyethylenkautschuk (CSM), erbrachte das erwünschte Resultat, einen technisch verwertbaren Synthesekautschuk auf der Basis von Polyethylen. Inzwischen ist der Bedarf an CSM jedoch stark zurück gegangen, weil andere, rentabler zu gewinnende Elastomere entwickelt worden sind. So stellte DuPont, der bis dahin wichtigste Hersteller dieses Synthesekautschuks, im Jahre 2010 seine CSM-Produktion ein. Sie wird aber in Europa von mehreren kleineren Herstellern in Lizenz fortgeführt, so dass Chlorsulfonyl-Polyethylen für inzwischen etablierte, spezielle Einsatzzwecke weiterhin verfügbar ist.

 

Verwendung

Chlorsulfonyl-Polyethylenkautschuk (CSM) ist ein unvulkanisiertes, weichmacherfreies Elastomer. Es enthält keinerlei auslaugbare Stoffe und findet aufgrund seiner exzellenten Alterungsbeständigkeit sowie guten Chemikalienfestigkeit als Plattenware für Abdeckungen und Abdichtungen vielfältige Verwendung. Vor allem aber hat sich CSM als leistungsfähiger, hochelastischer  Werkstoff für Chemieschläuche zum Einsatz in  Labor und Technikum sowie für robuste Industrie- und Feuerschläuche bewährt.

Doppelmantelschläuche mit CSM-Ummantelungen verleihen Schläuchen aus anderen Materialien hohe Widerstandsfestigkeit gegenüber äußeren Einflüssen, wie Feuchte, Witterung oder chemische Aggressionen. Sie sind daher auch für Verbaue in chemisch-technischen Anlagen und Apparaturen geeignet. Mit gewebeverstärkten CSM-Schlauchummantelungen werden derartige Schläuche zusätzlich druckfest ausgerüstet.

 

Chemische Eigenschaften

CSM wird durch Sulfochlorierung, die Umsetzung von Polyethylen mit Chlor (Cl2) und Schwefeldioxid (SO2), gewonnen. Die radikalisch induzierte Reaktion, etwa durch UV-Strahlung,  geht auf den amerikanischen Chemiker  C. F. Reed (1891-1972) zurück, der sie bereits 1936 beschrieben hat. Sie ist als REED-Reaktion in die wissenschaftliche Literatur eingegangen. Die Sulfochlorierung ist  eine der Grundreaktionen der großtechnischen Synthesechemie zur Umsetzung von Alkanen zu Alkylsufochloriden. Sie sind  durch die  –SO2Cl -Gruppe charakterisiert.      

Bei der Umsetzung von Polyethylen mit Chlor und Schwefeldioxid läuft neben der Sulfochlorierung auch die radikalische Chlorierung ab, so dass, wie nachstehendes Formelschema veranschaulicht, immer “gemischte“ Produkte entstehen, für die k ≠ m ≠ n in unregelmäßiger Reihung anzunehmen sind:

chem-Formel-CSM-2

Die jeweiligen Syntheseprodukte werden zwar sämtlich als chlorsulfoniertes Polyethylen bezeichnet und mit dem Kürzel CSM ausgewiesen, sie unterscheiden sich jedoch in Abhängigkeit von der Reaktionsführung in ihren chemischen und technischen Eigenschaften.

Generell gilt, dass aufgrund des Fehlens von C=C-Doppelbindungen und anderer reaktiver Gruppen im Makromolekül chlorsulfoniertes Polyethylen gegen oxidative Einflüsse weitgehend inert ist. Es ist daher ein UV- und alterungsbeständiges Elastomer. Auch gegenüber Säuren ist CSM gut beständig. Starke Laugen können hingegen die Chlorsulfonylguppe angreifen und zu deren Verseifung führen. Unpolare Lösungsmittel lassen das Elastomer anquellen und dadurch dessen Festigkeit mindern. Mit steigendem Chlorgehalt erhöht sich seine Mineralölbeständigkeit und Flammwidrigkeit. Bei einem Gehalt von 27 % Chlor und 1,5 % Schwefel sind die Eigenschaften von CSM mit denen von Chlorbutadien-Kautschuk vergleichbar.  

 

Technische Daten  

Die physikalisch technischen Parameter von chlorsuloniertem Polyethylen (CSM) werden maßgeblich von dem Chlor-Schwefel-Verhältnis in den jeweiligen Polymeren bestimmt. Wegen der großen Zahl stofflicher Varianten im Handel können generelle Daten dafür nicht angegeben werden. Sie müssen den technischen Beschreibungen für das jeweilige Handelsprodukt entnommen werden.

Die nachstehend angeführten Daten beziehen sich auf praxisrelevante Richtwerte für THOMAPLAST® CSM-Platten von Reichelt Chemietechnik, Typ RCT®-SH70:

allgemeine Eigenschaften  
Farbe schwarz
Dichte 1,37 g / cm3
   
thermische Eigenschaften  
Einsatztemperaturbereich -30 bis +120 °C
Sauerstoffindex (LOI) ≥ 25 %
   
mechanische Eichenschaften  
Shore-Härte A 70° ± 5°
Reißfestigkeit 8 MPa
Reißdehnung 400 %
Abrieb 390 mm2 (DIN 53516)
Druckverformungsrest 48 % bei +70 °C / 22 Std.
   
elektrische Eigenschaften  
spez. Durchgangswiderstand 1,2 x 1012  Ω ∙ cm
   
chemische Beständigkeit  
Ethanol beständig
höhere Alkohole bedingt  beständig
Salzsäure beständig
verd. Schwefelsäure beständig
verd. Laugen  beständig
wässerige Salzlösungen beständig
Treibstoffe bedingt beständig
Öle und Fette bedingt beständig
halogenierte Lösungsmittel unbeständig

 

Weiterführende Literatur

H. P. Latschka, U. Katzmaier, H. A. Klein, Organische Chemie: Basiswissen II, 7. Aufl., Springer-Verlag [2016], ISBN 978-3-662-46179-2

B. P. Mundy, M. G. Ellerd, F. G. Favaloro, Name Reactions and Reagents in organic Synthesis, 2. Aufl., John Wiley [2005], ISBN 978-0-471-22854-7

W. Kunz, E. Nonnenmacher, Reaktionen der Organischen Chemie, 6. Aufl., Wiley-VCH-Verlag, Weinheim [1979], ISBN 978-3-527-29713-9