Glossar

FKM - Fluorkautschuk (Viton®, Iso-Versinic®, THOMAFLUOR-Reichelt Chemietechnik)

Fluorkautschuk

andere Bezeichnungen: FKM/FPM-Kautschuk; Fluorcarbon-Kautschuk; Fluor-Elastomer; Fluoro Rubber

Kurzzeichen: FKM (früher: FPM)

CAS-Nr.: 64706-30-5

Wichtige Handelsnamen und Markeneigner

DAI-EL^® - Daikin Industries Ltd.
DYNEON^® - 3M
FLUOREL^® - 3M
LEVATHERM^® - F Lanxess
TECNOFLON^® - Solvay Speciality Polymers
THOMAFLUOR - Reichelt Chemietechnik
VITON^® - DuPont Performance Elastomers

Geschichtliches

Der erste fluorhaltige und zugleich vollständig halogenierte Kunststoff, Polychlor-Trifluorethylen (PCTFE), wurde 1933/34 von den deutschen Chemikern Fritz Schloffer (1901-1978) und Otto Scherer (1903-1987) in den Höchster IG Farbenwerken entwickelt. Der thermoplastische Werkstoff ist chemisch sehr stabil, thermisch extrem belastbar und wegen seiner Härte mechanisch auch gut bearbeitbar. Er wurde unter dem Markennamen KEL F^® des US-amerikanischen Konzerns 3M (Minnesota Mining and Manufacturing) bekannt. Als formstabiler Kunststoff hat PCTFE vor allem für korrosionsfeste Konstruktionselemente im Maschinen- und Chemieanlagenbau Eingang gefunden.
1938 entdeckte der amerkanische Chemiker Roy J. Plunkett (1910-1994) mehr durch Zufall als durch gezielte Polymerenforschung den ersten chlorfreien, vollständig fluorierten Kunststoff, das Polytetrafluorethylen (PTFE). Es wurde von DuPont unter dem bekannten Markennamen TEFLON^® eingeführt. PTFE ist chemisch außerordentlich resistent und thermisch belastbar. Da es sich auch hervorragend für korrosionshindernde Beschichtungen von Metalloberflächen eignet, spielte es im amerikanischen Manhatten-Atomforschungsprogramm während der 1940er Jahre bei der Handhabung von Uranhexafluorid für die Uran-235-Anreicherung eine bedeutende Rolle.
Für viele Zwecke jedoch sind weder PCTFE noch PTFE wenig oder gar nicht geeignet, weil beide Kunststoffe unelastisch sind. PTFE hält zudem auch mechanischen Belastungen nicht stand, da es schon unter geringem Pressdruck zu fließen beginnt. Das militärische Flugwesen, das nach 1945 mit der Entwicklung neuer Flugzeug-Generationen befasst war, wie auch danach das im Entstehen begriffene US-Weltraumprogramm forderten indessen von der Industrie extrem strapazierfähige und dennoch genügend elastische Materialien, vor allem für sichere Treibstoff- und Triebwerksabdichtungen, die mit keinem der bis dahin bekannten Werkstoffe, auch nicht mit PCTFE und PTFE, befriedigend realisiert werden konnten.
Die Erkenntnis, dass die Einführung von Fluor in ein Polymer dessen chemische und thermische Stabilität beträchtlich erhöht, initiierte die Bemühungen führender Chemieunternehmen, auf der Basis hochfluorierter Polymere ein kautschukähnliches Produkt zu entwickeln.
1958 konnte DuPont mit VITON^® den weltweit ersten Fluorkautschuk vorstellen. Der hitzebeständige, elastische und chemisch hochbeständige Synthesekautschuk konnte die Anforderungen der Entwicklungsingenieure vorerst erfüllen. Seither sind weitere, noch viel leistungsfähigere Fluorkohlenstoff-Polymere für die Luft- und Raumfahrt-Industrie entwickelt worden. Hierzu zählen auch die sogenannten Perfluorelastomere, die wie PTFE, vollständig fluoriert sind. Das bekannteste Elastomere auf dieser Basis ist KALREZ^® von DuPont. Trotz ihres hohen Preises werden diese perfluorierten Hochleistungselastomere inzwischen auch für zivile Bereiche genutzt, doch dürfte hierfür bis heute VITON^® der am häufigsten eingesetzte Fluorkautschuk geblieben sein.

Allgemeine Beschreibung

Die Bezeichnung Fluorkautschuk mit dem technischen Kürzel FKM (früher FPM) steht als Sammelbegriff für die große Gruppe fluorhaltiger, kautschukähnlicher Polymere, die alle auf 1,1-Difluor-Ethylen CF₂=CH₂ (Vinyliden-Difluorid) als eine der monomeren Komponenten basieren. Die anderen, für die Co-Polymerisation mit 1,1-Difluor-Ethylen geeigneten Komponenten sind unterschiedlicher chemischer Natur, so dass mit dem gebräuchlichen Terminus Fluorkautschuk kein eindeutig definiertes Produkt beschrieben ist.

Verarbeitung und Verwendung

Fluorkautschuke vom Typ FKM/FPM werden im zivilen Bereich vorranig für elastische Formteile aller Art eingesetzt, die bei höheren Temperaturen mechanischen Belastungen und chemischen Aggressionen ausgesetzt sind. Dazu gehören in erster Linie Förderschläuche, wie THOMAFLUOR-FPM-Chemieschläuche, die in vielen Dimensionierungen mit unterschiedlichen Elastizitäten verfügbar sind. Sie werden als dauerhafte, widerstandsfähige Leitungen für flüssige und gasförmige Medien in analysentechnischen Dosiereinrichtungen und Apparaturen der Medizintechnik sowie der Pharma- und Lebensmittelindustrie verbaut.
Wegen ihrer hervorragenden Abriebfestigkeit und Elastizität stellen engtolerierte Präzisionsschläuche aus Fluorkautschuk ideale Förderschläuche für peristaltische Schlauchpumpen dar, wofür beispielhaft TYGON^® -Pumpenschläuche zu nennen sind. Schließlich sind Hochleistungs-Dichtringe, Flachdichtungen und flexible Stromkabel-Isolierungen aus Fluorkautschuk im Elektrobau sowie im Maschinen- und Chemieanlagenbau besonders für den Einsatz unter Extrembedinungen längst unverzichtbar geworden.

Chemische Eigenschaften

Die Mehrzahl der technisch bedeutsamen Fluorkautschuke sind Polymere zweier Komponenten, sogenannte Co-Polymere. Darüber hinaus sind auch Drei- und Vier-Komponenten-Polymere möglich, die als Ter-Polymere und Tetra-Polymere bezeichnet werden.
Der 1958 von DuPont präsentierte Fluorkautschuk vom Typ VITON^® ist das Co-Polymerisat von 1,1-Difluor-Ethylen (CF₂=CH₂) mit Hexafluorpropylen (CF₂=CF-CF₃ ) als Co-Komponente:

chem-Formel-FKM2

Wichtige Co-Komponenten für die Fluorkautschuk-Produktion sind außer Hexafluor-Propylen auch 1-Hydro-Pentafluor-Propylen (HCF=CF-CF₃) sowie die perfluorierten Co-Komponenten Tetrafluor-Ethylen (CF₂= CF₂) und Hexafluor-Methyl-Vinylether (CF₂=CF-O-CF₃) . Sie alle verfügen über die notwendige, reaktive C=C-Doppelbindung.
Da alle Komponenten für die Fluorkautschuksynthese bei Zimmertemperatur gasförmig sind, wird die Polymerisation unter Druck und fast ausschließlich in Emulsion bei +80 °C bis +125 °C ausgeführt. Das der Emulsionspolymerisation zugrunde liegende Reaktionsprinzip war bereits 1912 von dem deutschen Chemiker Kurt Gottlob (1881-1925) beschrieben und technisch realisiert worden. Gottlob gehörte als führender Wissenschaftler dem Arbeitskreis um Fritz Hofmann (1866-1956) an, der 1909 in den Elberfelder Farbenfabriken vorm. Friedr. Bayer den weltweit ersten künstlichen Kautschuk, den Methylkautschuk, synthetisiert hatte.
FPM/FKM-Kautschuke zeichnen sich durch hohe Temperaturfestigkeit aus. Ihre Kältestabilität reicht allerdings nur bis in den Bereich um -20 °C bis -30 °C. Bei wenig tieferen Temperaturen beginnen sie bereits zu verspröden. Durch den hohen Fluoranteil, der maßgeblich die Eigenschaften des Polymers bestimmt und typischerweise zwischen 62 und 70 Gewichtsprozent liegt, sind Fluorkautschuke sehr schwere Kunststoffe. Die sämtlich nichtbrennbaren Polymere haben eine nur sehr geringe Gaspermeabilität, sie sind ausnehmend witterungs- und ozonbeständig und unempfindlich gegenüber unpolaren Lösungsmitteln. Hingegen können polare Lösemittel, Alkalien und Amine, Säuren sowie Heißdampf die Struktur der Fluorkautschuke schädigen und unter Verlust der elastischen Eigenschaften bis zur völligen Unbrauchbarkeit quellen lassen.

Technische Daten
Wegen der unterschiedlichen Fluorkautschuk-Qualitäten können generelle technische Daten nicht angegeben werden. Den hier angegebenen Werten liegen Parameter von THOMAFLUOR-FKM/FPM-Produkten von Reichelt Chemietechnik zugrunde. Sie stellen allerdings nur sehr grobe Orientierungswerte dar; die tatsächlichen Werte eines konkreten Produkts können hiervon erheblich abweichen.
allgemeine Eigenschaften
Farbe	gelb bis braun, meist schwarz eingefärbt
Dichte	um 1,9 g / cm³
Wasseraufnahme (+23 °C / 24 h)	um 0,2 %

thermische Eigenschaften
Einsatztemperaturbereich
ständig	-20 °C bis +200 °C
kurzzeitig	bis +250 °C
Versprödungstemperatur	unterhalb -30 °C
Wärmeleitfähigkeit	um 0,3 W / mK
Sauerstoffindex (LOI)	> 50%
Brandklasse UL 94	V-0

elektrische Eigenschaften
Dielektrizitätskonstande (50 Hz)	15
spezifischer Durchgangswiderstand	bis 2 x 10¹³ Ω x cm
elektrische Durchschlagfestigkeit	um 20 kV / mm

mechanische Eigenschaften
Zugfestigkeit	bis 17 N / mm²
Elastizitätsmodul	bis 30 N / mm²
Reißdehnung	180 % bis 300 %
Druckverformungsrest bei
+70 °C / 24 Std.	bis 40 %
+200 °C /24 Std.	bis 25 %
Shore-Härte A	40° bis 90°

chemische Beständigkeit
alphatische Kohlenwasserstoffe	beständig
aromatische Kohlenwasserstoffe	beständig
halogenierte Kohlenwasserstoffe	beständig
Alkalien und Amine	unbeständig
Ameisensäure, Essigsäure	unbeständig
Alkohole, Ester, Ketone und andere polare Lösungsmittel	unbeständig
Kraftstoffe	beständig
Bremsflüssigkeiten (Glycolbasis)	unbeständig
Silikonöl und andere Mineralöle	beständig
Pflanzenöle und Pflanzenfette	beständig
Heißdampf	unbeständig
Witterung und Ozon	beständig

Weiterführende Literatur

1.) W. Hofmann, Kautschuk-Technologie, Genter Verlag, Stuttgart [1980], ISBN 3- 872-47-262-3

2.) W. Hofmann, H. B. Gupta (Hrsg.), Handbuch der Kautschuk-Technologie,
Dr. Guptaverlag Ratingen [2001], ISBN 978-3-980-35932-0

3.) A. L. Moore, Fluoroelastomers Handbook, William Andrew Publishing [2006],
ISBN 0-8155-1517-0

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