Wegen schwankender Rohstoffpreise war man schon Mitte des 19. Jahrhunderts bestrebt, synthetischen Kautschuk zu entwickeln. Die Darstellung und industrielle Produktion hochwertiger Synthesekautschuke konnte jedoch erst nach dem Ersten Weltkrieg realisiert werden.
Im Jahr 1926 wurde durch die deutschen Chemiker Eduard Tschunkur (1874 – 1946) und Walter Bock (1895 – 1948) der I.G. Farbenindustrie erstmalig Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) synthetisiert, indem Butadien in Gegenwart von Styrol polymerisiert wurde. Aus den Synthesekomponenten Butadien und Natrium, das bei der Reaktion als Katalysator fungierte, leitete sich die noch heute gebräuchliche Abkürzung „Buna“ beziehungsweise „Buna-S“ ab.
Die Darstellung des synthetischen Nitrilkautschuks folgte schließlich im Jahr 1930, erneut durch deutsche Chemiker der I.G. Farbenindustrie. An der Entwicklung beteiligt waren Erich Konrad (1894 – 1975), Helmut Kleiner (1902 – 1987) und Eduard Tschunkur, der bereits an der Synthese des Styrolkautschuks mitwirkte.
Mittlerweile gibt es eine Vielzahl gummiartiger, synthetischer Polymere, die auch als Elastomere bezeichnet werden. Heute werden jährlich über 16 Mio. Tonnen Kautschuk weltweit produziert, wovon lediglich 5 Mio. Tonnen dem Naturkautschuk zuzuschreiben sind. Der Bedarf an künstlichen Elastomeren und Gummischläuchen, wie dem Nitrilkautschuk und daraus gefertigten Nitrilschläuchen, ist also ungebrochen.
Was ist Acrylnitril-Butadien-Kautschuk?
Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, kurz NBR oder auch Nitrilkautschuk, ist ein aus Acrylnitril und Butadien hergestellter Synthesekautschuk. Er gehört zu den Elastomeren, einer Untergruppe der Kunststoffe, die sich mechanisch durch ihre elastischen Eigenschaften auszeichnen. Dieses „gummiartige“ Verhalten ergibt sich dadurch, dass die Polymerketten der Elastomere im Normalzustand ein dichtes, jedoch nur weitmaschig durch kovalente Bindungen vernetztes Knäuel bilden. Diese Struktur erlaubt, dass das Polymer unter Einwirken äußerer Zugkräfte gestreckt werden kann. Wird die Polymerstruktur dabei nicht durch zu hohe Kräfte beschädigt, ist der Vorgang reversibel und das Elastomer kann nach Nachlassen der angreifenden Kräfte wieder in seine Ursprungsform zurückkehren.
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Herstellung von Nitrilkautschuk
Im Gegensatz zu Homopolymeren wie Polypropylen (PP), die aus nur einer Monomerart polymerisiert werden, wird Nitrilkautschuk aus zwei unterschiedlichen Monomeren synthetisiert, nämlich Acrylnitril und Butadien. Der so gewonnene Kunststoff wird deswegen auch als Copolymer bezeichnet. Der Acrylnitril-Anteil liegt für NBR-Polymerisate bei etwa 18 bis 50 Massen-% und hat Einfluss auf die Quellbeständigkeit, das elastische Verhalten, die Gasdurchlässigkeit und den Druckverformungsrest. Durch Variation der Anteile beider Ausgangsmonomere sowie durch Modifizierung der Syntheseparameter, hauptsächlich der Polymerisations-Temperatur, können die gewünschten Eigenschaften des Endprodukts gut voreingestellt werden.
Dem Vulkanisat wird eine hohe Beständigkeit gegenüber Ölen, Fetten und Kohlenwasserstoffen zugesprochen, weswegen Nitrilschläuche für den Einsatz als Mineralöl- und Kraftstoffschläuche prädestiniert sind. Hervorzuheben sind außerdem das gute Alterungsverhalten und der geringe Abrieb.
Nitrilkautschuk und auch andere gummiartige, synthetische Kautschuke weisen einen niedrigen Vernetzungsgrad auf. Die einzelnen Polymerketten sind im Vulkanisat nur sehr weitmaschig durch kovalente Bindungen vernetzt, was zu dem gewünschten elastischen Verhalten des Kunststoffs führt.
Eigenschaften und Modifikationen
Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von NBR lassen sich durch den Vernetzungsgrad, das Mischungsverhältnis der Ausgangsmonomere Acrylnitril und Butadien, das Verschneiden mit anderen Kunststoffen zu Blends, wie mit Polyvinylchlorid (PVC) oder Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), und die Zugabe von Füllstoffen modifizieren. Daher gibt es nicht nur einen Nitrilkautschuk mit festgeschriebenen Eigenschaften, sondern eine ganze Bandbreite unterschiedlicher Nitrilkautschuk-Modifikationen.
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Aus NBR gefertigte Werkstoffe zeigen eine hohe Quellbeständigkeit gegenüber Ölen, Fetten und anderen aliphatischen Kohlenwasserstoffen. Ursächlich sind die im Acrylnitril-Butadien-Kautschuk enthaltenen polaren Nitrilgruppen, welche nur gering mit unpolaren Flüssigkeiten wie Kraftstoffen, Ölen und Schmierfetten wechselwirken. Dadurch quillt der Werkstoff in diesen Medien nicht auf. Die Quellbeständigkeit gegenüber Chemikalien wie Mineralölen und Kraftstoffen sowie heißem Wasser lässt sich durch einen höheren Acrylnitrilanteil verbessern - je höher der Anteil des Ausgangsmonomers Acrylnitril, desto besser die Beständigkeit des Endprodukts.
Grundsätzlich gilt, dass mit steigendem Acrylnitrilanteil die Elastizität des Nitril-Kautschuks abnimmt, die Stabilität gegenüber Chemikalien und Lösungsmitteln jedoch steigt. Aufgrund dieser chemischen Eigenschaften sind Nitrilschläuche prädestiniert für den Einsatz in der Schlauchtechnik als Mineralölschläuche und Kraftstoffschläuche, insbesondere als Benzinschläuche und Dieselschläuche.
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| Schläuche und Dichtungen aus NBR sind aus der Motorentechnik nicht mehr wegzudenken |
Der Acrylnitrilanteil beeinflusst jedoch nicht nur die Quellbeständigkeit, sondern auch die Flexibilität bei tiefen Temperaturen, die sogenannte Kaltflexibilität. Bei einem geringen Anteil von 18 Massen-% ist die Kälteflexibilität bis -38 °C sehr hoch. Dagegen hat ein Werkstoff mit einem Anteil von 50 Massen-% eine sehr viel geringere Kälteflexibilität, die dann nur noch bei bis zu -3 °C gegeben ist. Durch den zusätzlichen Einsatz von Weichmachern kann bei speziellen Mischungen eine Kälteflexibilität bis -55 °C erreicht werden.
NBR hat eine Dichte von 1,35 g/cm3 bis 1,50 g/cm3, in Abhängigkeit vom Vernetzungsgrad, wobei ein höherer Vernetzungsgrad eine höhere Dichte zur Folge hat. Das Gleiche gilt auch für die Härte.
Schläuche aus Nitril-Gummi sind außerdem relativ gas- und luftundurchlässig, zumindest im Vergleich zu anderen Elastomerschläuchen, weshalb Nitrilschläuche auch zur Förderung von Gasen geeignet sind. Eine bei Weitem niedrigere Gaspermeabilität kann jedoch mit diversen Kunststoffschläuchen erreicht werden, etwa aus Polyamiden (PA) oder Polytetrafluorethylen (PTFE). Darüber hinaus zeigt NBR gute mechanische Eigenschaften, wie eine hohe Abriebfestigkeit, eine hohe Zug- und Reißfestigkeit und einen geringen Druckverformungsrest.
Auch die thermischen Eigenschaften von Nitrilschläuchen sind gut. So ist NBR im Temperaturbereich von -30 °C bis +120 °C beständig. Jedoch muss hier auf die Material-Zusammensetzung beziehungsweise Schlauchausführung geachtet werden, da dieser Temperaturbereich nicht generell für alle NBR-Modifikationen gilt. Die Tieftemperaturbeständigkeit von -30 °C wird durch einen niedrigen Acrylnitrilanteil erreicht und die Hochtemperaturbeständigkeit bis +120 °C mit einem hohen Anteil des Monomers.
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Chemisch ist Nitrilgummi beständig gegenüber aliphatischen Kohlenwasserstoffen wie Propan und Butan, Kraftstoffen, Benzin, Diesel und Mineralölen, Alkoholen, pflanzlichen und tierischen Ölen sowie Fetten, Silikonölen und Silikonfetten, verdünnten Säuren und Laugen sowie Heißwasser.
Gegenüber Ozon und UV Strahlung ist Nitrilgummi jedoch nicht beständig. Ebenso können chlorierte, aromatische und halogenierte Kohlenwasserstoffe sowie Lösungsmittel und Medien auf Glykolbasis das Material angreifen.
Nitrilschläuche in der Schlauchtechnik
Schläuche sind mechanischen, thermischen, chemischen und elektrischen Beanspruchungen ausgesetzt. Die Belastungen, beispielsweise hohe Betriebsdrücke und Druckschwankungen, hohe Temperaturen und Temperaturschwankungen sowie chemisch aggressive und mit Partikeln belastete Medien, können zu potentiell gefährlichen Leckagen führen, wenn das Schlauchmaterial nicht entsprechend der Betriebsbedingungen gewählt wird. Trotz dieser Belastungen müssen Schläuche elastisch, flexibel und mechanisch stabil bleiben.
Aufgrund der zahlreichen Vorteile von Nitrilkautschuk werden Schläuche aus diesem Material vielfältig eingesetzt. Da Nitrilschläuche beständig gegenüber Mineralölen und aliphatischen Kohlenwasserstoffen, wie Benzin oder Diesel, sind, kommen sie in der Automobilindustrie, Mineralölindustrie und Motorentechnik bevorzugt zum Einsatz, hier insbesondere als Tankwagenschläuche, Kraftstoffschläuche, Benzinschläuche, Dieselschläuche und Ölschläuche. Aber auch als Dichtungen findet Nitrilkautschuk in diesen Bereichen Einsatz. Im Alltag begegnen uns antistatische Nitril-Modifikationen als Zapfstellenschläuche an Tankstellen.
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| Zapfstellenschläuche aus Nitrilkautschuk |
Auch aus der Chemie-, Pharma- und Prozesstechnik sind Nitrilschläuche nicht mehr wegzudenken. Denn die Beständigkeit gegenüber Alkoholen, verschiedenen Ölen und Fetten sowie verdünnten Säuren und Laugen erlaubt den Einsatz als Chemikalienschlauch und Förderschlauch für viele Anwendungen. Aufgrund der geringen Gaspermeabilität kommen Nitrilschläuche auch als Gasförderschläuche in Form von Saugschläuchen, Druckschläuchen und Vakuumschläuchen zum Einsatz. Ferner dient Nitrilkautschuk als Grundmaterial für Flüssiggasschläuche und Farbspritzschläuche.
Physiologisch unbedenkliche NBR-Modifikationen werden für die Herstellung von Trinkwasserschläuchen und Lebensmittelschläuchen genutzt. Die lebensmittelechten Förderschläuche sind absolut geruchs- sowie geschmacksneutral und kommen in der Lebensmittelindustrie, Molkereiwirtschaft und Softdrinkindustrie zum Einsatz.
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