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Glossar

EPDM2 - Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (Keltan®)

chemische Formel EPDMEthylen-Propylen-Dien-Kautschuk

andere Bezeichnungen:  EPDM-Kautschuk;  EPDM-Gummi; EPDM Rubber;  Ethylen-Propylen-Terpolymer-Kautschuk

Kurzzeichen:  EPDM (alte Kurzbezeichnungen:  APTK, EPTK)

CAS-Nr.: nicht ausweisbar

 

Wichtige Handelsnamen und Markeneigner

BUNA® - AP Evonik
DUTRAL® Versalis
HERTALAN® Carlisle® Construction Materials BV
KELTAN® Lanxess / Arlanxeo
RESITRIX® Carlisle® Construction Materials GmbH
NORDEL® DuPont / Dow Elastomers
THOMAPREN Reichelt Chemietechnik
VISTALON® Exxon Mobil Chemical

 

Geschichtliches

In den 1950er Jahren gelang dem deutschen Chemiker Karl Ziegler (1898-1973) am Max-Planck-Institut (MPI) für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr mit der Entwicklung eines metallorganischen Mischkatalysators auf der Basis von Triethylaluminium und Titan(IV)chlorid die Niederdruck-Polymerisation von Ethen zu Polyethylen (PE). Damit erfuhr die 1933 von Michael Willcox Perrin (1905-1988) entwickelte und 1938/39 von ICI (Imperial Chemical Industries) eingeführte, technisch sehr aufwändige radikalische Polymerisation, die Temperaturen zwischen +150 °C und +320 °C und Drucke bis zu 300 MPa (3000 at) erfordert, eine bedeutende Verbesserung. Karl Ziegler erhielt dafür im Jahre 1963 gemeinsam mit dem Italiener Giulo Natta (1903-1979), der um die gleiche Zeit die stereospezifische Polymerisation mittels ähnlicher metallorganischer Katalysatoren entdeckt hatte, den Nobelpreis für Chemie. Die Katalysatoren werden heute Ziegler-Natta-Katalysatoren genannt.
Mit der Nutzbarmachung von Metallocenen als Polymerisationskatalysatoren, den erst seit den 1950er Jahren erforschten metallorganischen, sogenannten Sandwich-Verbindungen durch den Deutschen Ernst Otto Fischer (1918 - 2007) und dem Briten Sir Geoffry Wilkinson (1921 - 1996) verbesserten sich Möglichkeiten zur rentablen Gewinnung von Kunststoffen weiter. Metallocen-Katalysatoren arbeiten sehr selektiv. Sie haben zudem gegenüber klassischen Ziegler-Natta-Katalysatoren den bedeutenden Vorteil, dass sie nicht im Syntheseprodukt verbleiben und somit die nachfolgende Abtrennung der Katalysatoren entfällt. Auch die Produktion von Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), die 1963 in den damaligen Chemischen Werken Hüls ihren Anfang nahm, basiert auf modernen Metallocen-Katalysatoren.
Für ihre weitreichenden wissenschaftlichen Beiträge zur Chemie der Metallocene und ihre industriellen Anwendungen wurden Ernst Otto Fischer und Sir Geoffry Wilkinson im Jahre 1973 mit dem Chemie-Nobelpreis geehrt.

 

Allgemeine Beschreibung

Die Bezeichnung Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk mit dem technischen Kürzel EPDM steht für eine Gruppe von Elastomeren aus Ethylen (Ethen), Propylen (Propen) und einem Dien. Wesentlich für die Produkteigenschaften der Synthesekautschuke sind neben den Mengenverhältnissen der drei monomeren Komponenten im jeweiligen Polymer zueinander und dem Grad ihrer Vernetzung auch die Art der Dien-Komponente.

 

Verarbeitung und Verwendung

EPDM-Kautschuke sind besonders hochwertige Elastomere. Sie finden als Folien und Planen für Abdichtzwecke Verwendung, die auch bei Frosttemperaturen elastisch bleiben. Beispielhaft sollen dafür großflächige Geländeabdeckungen, dauerhafte Untergrundabdeckungen für Halden und Deponien, Bauwerkabdichtungen, wetterfeste und UV-stabile Dachbedeckungen sowie strapazierfähige Wasserbecken- und Teichfolien genannt sein. Von erheblichem Gewinn für diese Verwendungen sind die sehr günstigen Fügemöglichkeiten durch Heißluftverschweißen oder lückenloses Aufvulkanisieren von speziell dafür vorbereiteten EPDM-Nahtbändern.
Für den Labor- und Technikumsbereich stehen vor allem THOMAPREN-EPDM-Schläuche in vielen Qualitäten, Dimensionierungen und Ausführungen als flexible Schläuche aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuken zur Verfügung. Ausgewählte Schlauchtypen aus nicht eingefärbten, weißen EPDM-Polymeren sind für die Lebensmittelindustrie zugelassen. Doppelmantelschläuche mit Umhüllungen aus anderen Elastomeren, Glasfasergeweben oder Einlagen aus textilen Geweben sind auch für den gehobenen Industriebedarf als Druckschläuche oder mit elektrisch leitenden Beimengungen oder Metallgeflechten als Antistatik-Schläuche verfügbar. Schließlich sind EPDM-Kautschuke wegen ihrer guten chemischen Stabilität und hervorragenden Abriebfestigkeit ausgewiesene Materialien für hochbeanspruchte Flach-Dichtungen und langlebige O-Ringe für Gleitdichtungen.

 

Chemische Eigenschaften

EPDM-Kautschuke sind ternäre Polymere (Ter-Polymere) von Ethylen (Ethen) CH2=CH2, Propylen (Propen) CH2=CH−CH3 und einem Dien mit nichtkonjugierten Doppelbindungen:

chem-Formel-EPDM-2

Nichtkonjugierte Doppelbindungen sind solche, bei denen sich zwischen zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen mindestens zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindungen befinden, wie es am Beispiel des einfachtsten Diens, des 1,4-Pentadiens, veranschaulicht sein soll:

chem-Formel-EPDM-3Dadurch sind die beiden, hier endständigen Kohlenstoff-Doppelbindungen funktionell voneinander isoliert.
Diene können sowohl linear als auch cyclisch aufgebaut sein. Für die EPDM-Synthese ist allerdings eine der unabdingbaren Voraussetzungen, dass die beiden Doppelbindungen des Diens unterschiedlich reaktiv sind und sich nur eine der beiden Doppelbindungen an der Ketten-Polymerisation beteiligt. Die für die Polymerisation nicht beanspruchte Doppelbindung ist dann für die Vernetzung verfügbar. Diese Bedingung, die für das oben angeführte 1,4-Pentadien selbstverständlich nicht erfüllt ist, schränkt die Zahl der nutzbaren Diene erheblich ein. Für die industrielle EPDM-Produktion sind bislang nur die drei nachstehend aufgeführten Diene relevant geworden:
(a) Dicyclopentadien-Dimer (DCPD; Sdp. +170 °C), (b) trans-Hexa-1,4-dien (Sdp. +65 °C) sowie (c) 5-Ethylen-2-nor-bornen (ENB; Sdp. +147,6 °C):

chem-Formel-EPDM-4

Mit zunehmender Vernetzung, hauptsächlich durch Schwefel-Vulkanisation, nimmt die Härte des Produktes zu und mithin seine Elastizität ab.
In der Praxis sind Diengehalte bis zu 12% gängig. Der Ethylenanteil variiert üblicherweise zwischen 40% und 80%, während der Propylenanteil zwischen 20% und 50% betragen kann. Diese enormen Spannbreiten in der Zusammensetzung, gepaart mit dem Einsatz der unterschiedlichen Diene lässt die enorme Produktvielfalt von Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuken zu. Die gesättigte Struktur der Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuke begründet ihre besondere Stabilität gegenüber oxidativ wirkenden Umwelteinflüssen, wie Witterung, Wasserdampf, UV-Strahlung und Ozon.
Für die gemeinsame Umsetzung von Ethylen und Propylen mit der Dien-Komponente in Lösung werden niedrig siedende, aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie Pentan (Sdp. +36 °C) oder Hexan (Sdp. +68 °C) als inerte Lösemittel eingesetzt. Die Reaktion erfolgt bei Drucken bis 1 MPa (10 at) und Temperaturen bis +150 °C. Moderne Suspensionsverfahren arbeiten ohne Lösungsmittel mit überschüssigem Propylen (Propen; Sdp. -47,6 °C), das am Ende der Synthese problemlos wieder entfernt werden kann.

  

Technische Daten  

Wegen der unterschiedlichen Zusammensetzungen von Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuken (EPDM) können generelle technische Daten nicht angegeben werden. Den hier angegebenen Werten liegen Parameter verschiedener EPDM-Qualitäten von Reichelt Chemietechnik zugrunde. Sie stellen allerdings nur sehr grobe Richtwerte zur Orientierung dar und können für ein bestimmtes Produkt hiervon erheblich abweichen.

   
allgemeine Eigenschaften  
Farbe

weiß, für technische Zwecke schwarz eingefärbt

Dichte bis 1,4 g / cm3
   
thermische Eigenschaften  
Einsatztemperaturbereich  -60 °C bis +160 °C
   
elektrische Eigenschaften  
spezifischer Durchgangswiderstand 1013 Ω• cm
Oberflächenwiderstand 108 Ω
   
mechanische Eigenschaften  
Shore-Härte A 25° bis 80°
Reißfestigkeit 3,5 MPa bis 12 MPa
Reißdehnung bis 550 %
Rückprallelastizität bis 45 %
   
chemische Beständigkeit  
Alkohole, Ketone, Ester beständig
Chlor, Chlorwasser beständig
Säuren beständig
Laugen beständig
Fette und Öle unbeständig
Witterung, UV-Strahlung und Ozon beständig
Heißwasser und Wasserdampf beständig

 

Weiterführende Literatur

1.) Michael Aubach, Frank Küber, Metallocene - maßgeschneiderte Werkzeuge zur Herstellung von Polyolefinen. In: Chemie in unserer Zeit 28 (4), p. 197 ff. [1994], ISSN 1521-3781

2.) A. Rudin, The Elements of Polymer Science and Engeneering, 2nd ed., Academic Press [1999], ISBN 978-0-12-601685-7

3.) Georg Abts, Einführung in die Kautschuktechnologie, Carl Hanser Verlag, München [2007], ISBN 978-3-446-40940-8

4.) P. S. Ravishankar, Treatise of EPDM. In: Rubber Chemistry and Techology 85(3), p. 327 ff. [2012], ISSN 0035-9475

5.) F. Röthemeyer, F. Sommer, Kautschuktechnologie - Werkstoffe, Verabeitung, Produkte, 3. Aufl., Carl Hanser Verlag, München [2013], ISBN 978-3-446-43776-0