Der Vorgang der Vulkanisation. Anwendungen und Verfahrensarten

Inhaltsverzeichnis

1 Abkürzungsverzeichnis

2 Einführung
2.1 Motivation
2.2 Vulkanisation
2.3 Anwendungen

3 Gummi und Elastomere
3.1 Allgemein
3.2 Historie
3.3 Anbaugebiete
3.4 Zusammensetzung der Elastomere (Gummi)

4 Verarbeitung von Elastomeren
4.1 Allgemein
4.2 Schritte der Verarbeitung
4.2.1 Herstellung der Gummimischung
4.2.2 Formgebung des Elastomerteils
4.2.3 Vulkanisation und Vulkanisationsverfahren

5 Metallteil – Vorbereitung

6 Vulkanisationsverfahren
6.1 Allgemeines
6.2 Pressverfahren (Compression Moulding)
6.3 Transferverfahren (Transfer Moulding)
6.4 Spritzgießverfahren (Injection Moulding)

7 Gummi-Metall-Werkzeuge
7.1 Werkzeugaufbau
7.2 Einfach – Werkzeug
7.3 Mehrfachwerkzeugaufbau

8 Produkte und Einsatzgebiete

9 Zusammenfassung/Fazit/Ausblick

10 Abbildungsverzeichnis

11 Literaturverzeichnis

1 Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2 Einführung

2.1 Motivation

„Mit der Erfindung der Vulkanisation von Naturkautschuk wurde ein neuer Werkstoff geschaffen, dessen einzigartige Eigenschaften wesentlich zur Entwicklung der modernen Technik beigetragen haben“^[1].

Der einleitende Satz, soll auf das in dieser Seminararbeit behandelte Thema „Vulkanisation“ einstimmen. Ziel der vorliegenden Arbeit soll es sein, einen allgemeinen Überblick über den Vorgang der Vulkanisation, sowie deren Anwendungen, Informationen zu den Ausgangsstoffen und einen Überblick einiger Vulkanisationsverfahren zu geben. Wichtige Meilensteine der historischen Entwicklung des Kautschuks und Grundinformationen zu Elastomeren sollen dann das Gesamtbild abrunden.

Weiterhin werden einzelne Vulkanisationsverfahren und Werkzeuge genauer beschrieben und anhand von Zeichnungen und Fotos erklärt.

2.2 Vulkanisation

Als Vulkanisation bezeichnet man ein chemisch-technisches Verfahren bei dem unter Einfluß von Druck, Temperatur und Zeit der Kautschuk widerstandsfähig gemacht wird gegen chemische und atmosphärische Einflüsse.

Die aus Schwefel oder Schwefelspendenden Stoffen (Dischwefeldichlorid (S2Cl2), Beschleunigern (=höhere Reaktionsgeschwindigkeit), Füllstoffen und Rohkautschuk bestehende Kautschukmischung wird dazu erhitzt und vorher gut gemischt.

Es entsteht eine Vernetzung der langkettigen Kautschukmoleküle durch Schwefelbrücken.

Durch diesen Vorgang verliert der Kautschuk seine plastischen Eigenschaften.

Man spricht bei dem Verfahren der Vulkanisation auch von der der Überführung

der plastischen Eigenschaften in elastische Eigenschaften.

Gegenüber dem Kautschuk (-Rohstoff) hat das hierbei entstehende Gummi dauerelastische

Eigenschaften. Es kehrt bei mechanischer Beanspruchung jeweils in die Ursprungslage zurück. Weiterhin erhöht sich die Reißfestigkeit, die Dehnung und die Beständigkeit gegenüber Witterungseinflüsse und Alterung.

Die Anzahl der Schwefelbrücken, die abhängig von der zugesetzten Schwefelmenge und der Dauer der Vulkanisation ist, bestimmt die Elastizität des Gummiwerkstoffes. Je mehr Schwefelbrücken desto unelastischer und härter ist der Werkstoff.

Außer der klassischen Schwefelvulkanisation erfolgt die Vernetzung von Kautschuken häufig auch mittels energiereicher Strahlung, Peroxyden und Metalloxiden

Für die Vulkanisation mit Schwefel ist das Vorhandensein von Doppelbindungen erforderlich. Deshalb kommen besonders bei Kautschuken, die keine Doppelbindungen enthalten (z.B. EPM, EVA), diese Verfahren zum Einsatz. Metalloxide setzt man bei der Vernetzung von Chloropren-Kautschuk ein.

2.3 Anwendungen

Die Verwendung von vulkanisierten Kautschuk ist im Gegensatz zu unvulkanisierten Kautschuk eher selten. Anwendungen sind die Herstellung von Schuhsohlen, Gummiklebern, Isolationen, Isoliermatten sowie die Produktion von Gummiklebern.

Vulkanisierte Kautschuke (Gummi) setzt man häufiger ein. Anwendungsbeispiele für weichere Sorten sind aufgrund der Abriebfestigkeit Förderbänder und die Laufflächen von Autoreifen. Dagegen werden härtere Gummisorten für z. B.: Rohre, Pumpengehäuse

eingesetzt, die Anforderung an die Abriebfestigkeit stellen.

„Die Flexibilität von Gummi wird auf vielfältige Weise ausgenutzt: z. B. bei Schläuchen, Reifen und Rollen oder bei Druckerpressen. Weiterhin eignet sich Gummi aufgrund seiner Elastizität für unterschiedliche Arten von Stoßdämpfern und für spezielle Vorrichtungen zum Vermindern von Vibrationen. Gummi ist für Gase weitgehend undurchlässig und wird deswegen z. B. für Druckluftschläuche und Dichtungen verwendet. Aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasser und vielen flüssigen Chemikalien fertigt man aus Gummi z. B. auch technische und medizinische Schläuche sowie Auskleidungen von Tanks und Reaktionsgefäßen. Zusätzlich besitzt Gummi einen hohen elektrischen Widerstand, so dass sich weiche Gummisorten für Isolationszwecke eignen. Aus harten Gummisorten kann man Gehäuse für elektrische Geräte herstellen“^[2].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 : Aufschlüsselung der Herstellung von Elastomer - Erzeugnissen in Deutschland 1998 [Quelle: Gohl (2003) S.5]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Kautschuk - Verbrauch in Deutschland 1998 [Quelle: Gohl (2003) S.5]

3 Gummi und Elastomere

3.1 Allgemein

„Es gibt keine andere Substanz, deren Eigenschaften im menschlichen Geist gleichviel Neugierde, Überraschung und Verwunderung erwecken wie die des Elastischen Gummis.

Charles Goodyear “^[3].

Hauptbestandteile von Gummi und Elastomeren in Ihrer ursprünglichen Form sind Kautschuke, Zugemischte Füll- und Verstärkerstoffe sowie Gummihilfsstoffe.

Zu den wesentlichen Eigenschaften der Elastomere zählen u.a. die Entropieelastizität (Gummielastizität).Wie einleitend beschrieben, wird ihre Formbeständigkeit durch eine weitmaschige, üblicherweise als Vulkanisation bezeichnet, erreicht.

„Wegen ihren niederen Modulwerten lassen sie sich mit geringen Kräften leicht verformen.

Und nehmen nach Entlastung weitgehend wieder ihre ursprüngliche Gestalt an.

Neuere Elastomere sind z.T. auch homogene Stoffe, jedoch immer mit dem Merkmal der Gummielastizität“^[4].

„Elastomere sind eine Gruppe gummiartiger Werkstoffe, die, zu zähelastischen Federungs-Elementen vulkanisiert, hohen dynamischen Wechsel – und Verschleißbeanspruchungen ausgesetzt werden können und dabei große Verformarbeit leisten. Konstruktionswerkstoffe wie Stahl, Beton, Holz usw. werden in einem Bereich beansprucht, in dem die Spannungen und elastische Verformungen proportional verlaufen, der werkstoffspezifische

Elastizitätzmodul kennzeichnet dies Verhältnis“^[5].

3.2 Historie

„Kautschuk kennen wir bereits seit Kolumbus. Er berichtete von einem Baum, der eine eigenartige Milch absondert“^[6].

Lange bevor ein weißer Mann seinen Fuß auf amerikanischen Boden setzte und über unermesslichen Gold- und Silberschätzen den unscheinbaren Kautschuk nicht beachtete, wussten die Ureinwohner Mittelamerikas - die Azteken und Mayas - sowie die kriegerischen Eingeborenenstämme der „Grünen Hölle“ des Amazonasstromes vielfältige und nützliche Dinge aus der Milch des „weinenden Baumes“ zu formen. Diesen Baum nannten sie „caao-chu“, woraus über das französische Wort caoutchouc unser Kautschuk wurde. Aus seinem milchigen Saft fertigten die Eingeborenen Schuhe, Flaschen und Bälle. Europäische Botaniker gaben dem Baum, der zur Familie der Wolfsmilchgewächse gehört, den Namen „Hevea brasiliensis“.

Die Entwicklung in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts ist vor allem durch stetige Zunahme des Kautschukverbrauchs und des Anteils der Synthesekautschuke am Gesamtverbrauch gekennzeichnet. Wie die Zeittafel vor allem der letzten zwei Jahrzehnte zeigt, werden in zunehmendem Maße Möglichkeiten genutzt, Synthesekautschuke für ganz bestimmte Anwendungsbereiche unter Hervorhebung gewünschter Eigenschaften quasi "nach Maß" herzustellen.

Zeittafel zu Meilensteinen der Jahre 1000 – 1971

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 :Zeittafel zu Meilensteinen der Jahre 1000-1971 [Quelle: http//www.swissballon.ch/bm_deutsch/haupt/kautschuk/kautschuk/kautschuk14.htm]

3.3 Anbaugebiete

Der wichtigste Lieferant von Naturkautschuk ist der Kautschukbaum (Hevea brasiliensis). Dieser ertragreichste Kautschukbaum stammt ursprünglich aus Brasilien. Er wurde später in fast allen tropischen Gebieten Südamerikas, Afrikas, und Asiens angebaut. So bezeichnet man diese Anbaugebiete auch als "Kautschukgürtel". Er liegt bei etwa 30° beiderseits des Äquators. In diesen Ländern ist die Naturkautschukgewinnung die wichtigste Verdienstquelle. Etwa 90 Prozent der weltweiten Gesamtproduktion des Naturkautschuks stammen von dem Hevea brasiliensis (wie bereits unter dem Punkt „Historie“ kurz erwähnt)

„Der Naturkautschuk wurde ursprünglich nur in Südamerika gewonnen .Bis kurz vor dem zweiten Weltkrieg war er die einzige Rohstoffbasis der Gummiindustrie, allerdings, da der Bedarf schnell stieg, aus Plantagenanbau insbesondere in Südostasien erzeugt. Auch heute noch sind Malaysia und Indochina die größten Naturkautschukproduzenten “^[7].

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^[1] Röthemeyer, F., Sommer, F., Kautschuk Technologie, 1.Auflage, München, Wien, 2001, S. 276

^[2] http://de.encarta.msn.com/text_761556347___2/Kautschuk.html

^[3] Nagdi, K., Gummi Werkstoffe, 1.Auflage, Würzburg, 1981, S.1

^[4] Gohl, W., Spies, K., Elastomere – Dicht und Konstruktionswerkstoffe, 5. Auflage, Renningen, 2003 , S.9

^[5] Battermann, W., Köhler, R., Elastomere Federung Elastische Lagerung, 1. Auflage, Berlin, München , 1982, S.1

^[6] Gohl, W., Spies, K., Elastomere – Dicht und Konstruktionswerkstoffe, 5. Auflage, Renningen, 2003 , S.2

^[7] Gohl, W., Spies, K., Elastomere – Dicht und Konstruktionswerkstoffe, 5. Auflage, Renningen, 2003 , S. 4