Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.06.17


Vom Kautschuk zum Autoreifen

Vortrag von Juliane Höllerich im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - OC", SS 14


Gliederung:

1 Isopren
    
1.1 Naturkautschuk
     1.2 Synthetischer Kautschuk

2 Vulkanisation
    
2.1 Vulkanisation mit reinem Schwefel
     2.2 Weich - und Hartgummi


Einstieg: Heutzutage ist es sehr wichtig mobil zu sein. Deswegen fahren die meisten Menschen regelmäßig mit dem Auto oder dem Bus. Dieses Privileg, nahezu immer mobil zu sein, hatten früher nur die Wenigsten. Nicht nur bei der Geschwindigkeit, sondern auch beim Fahrkomfort bleibt die Kutsche weit hinter dem Auto zurück. Das liegt nicht nur an der "Art des Antriebes", sondern auch an dem Bestandteil, der die Straße mit dem Transportmittel verbindet: Obwohl beide aus einem harten, spröden Material bestehen, verläuft die Fahrt auf Holzreifen eher holprig, während die Gummireifen Unebenheiten dämpfen und dadurch enorm den Fahrkomfort erhöhen.


1 Isopren

1.1 Naturkautschuk

Kautschukbäume werden bis zu 30m hoch und besitzen in der Rinde Milchröhren. Man ritzt mit einem Messer die Rinde des Baumes an, sodass der weiße Saft austritt und fängt ihn in einem Becher auf. Bei diesen weißen Saft handelt es sich um Latex. Latex enthält im Schnitt 30-40% Kautschuk, sowie Wasser, Proteine und Harze.

   
Abb. 1: Kautschukbaumplantage in Phuket, Thailand [2] Abb. 2: Latexmilch [3]

Um daraus den Kautschuk zu erhalten, wird er von der wässrigen Phase getrennt, zu sogenannten "Sheets" zusammengepresst und anschließend getrocknet und geräuchert.

Bei dem Naturkautschuk handelt es sich chemisch gesehen um cis-1,4-Polyisopren. Wie der Name schon sagt, ein Polymer. Das Monomer davon ist Isopren, mit IUPAC - Name: 2-Methylbuta-1,3-dien.

Abb. 4: Isopren

1.2 Synthetischer Kautschuk

Da zu Beginn des 20. Jahrhunderts der Bedarf an Kautschuk immer größer wurde, wollte man Polyisopren auch synthetisch herstellen. Dies gelang auch zum ersten mal im Jahr 1909. Betrachtet man die Strukturformel von Isopren in Abbildung 4, so erkennt man 2 Doppelbindungen. Es gibt also verschiedene Additionsmöglichkeiten. Allerdings liefert nur die 1,4-Addition den gewünschten Kautschuk. Dabei ist auch noch die Isomerie zu beachten. Es gibt zum einen das cis-1,4-Polyisopren, bei dem die Verbindungen zu den Monomeren auf der selben Seite sind. Zum anderen gibt es das trans-1,4-Polyisopren, bei dem die Verbindungen zu den Monomeren auf unterschiedlichen Seiten sind.

   
cis-1,4-Polyisopren trans-1,4-Polyisopren

Abb. 5: Isomerie von 1,4-Polyisopren

Allerdings kommt nur das cis-Isomer im Latexsaft vor. Betrachtet man das cis-Isomer etwas genauer, so stellt man fest, dass es nicht alterungs- und witterungsbeständig ist. Zudem ist es bei Raumtemperatur klebrig. Das cis-1,4-Polyisopren besitzt eine Glastemperatur von ca. -73°C. Die Glastemperatur ist die Temperatur, bei dem ein fester Stoff in eine zähflüssige Schmelze übergeht. Des weiteren ist es nicht elastisch, das heißt es ist plastisch.

Das alles sind Eigenschaften, die für einen Autoreifen eher schlecht sind. Man will weder einen Reifen der spröde oder flüssig wird, noch weniger will man einen Reifen, der zerreißt.


Der Kautschuk muss also noch weiter behandelt werden, um die Eigenschaften zu erhalten, die Autoreifen brauchen. Dies gelang Charles Goodyear 1839 mit der sogenannten Vulkanisation.

2 Vulkanisation

Bei der Vulkanisation wird der unvernetzte Kautschuk unter Hitze mit Schwefel versetzt und es bildet sich ein vernetztes Elastomer. Elastomere bestehen aus schwach vernetzten Makromolekülen, sie sind formfest, aber elastisch verformbar, das heißt bei Zug- oder Druckbelastung lassen sie sich verformen, fällt der Druck dann aber weg, gehen sie in ihre ursprüngliche Gestalt zurück. Zudem werden sie beim Erwärmen nicht plastisch. Die Vulkanisation kann sowohl mit reinem Schwefel, als auch mit Schwefel spendenden Stoffen durchgeführt werden.

2.1 Vulkanisation mit reinem Schwefel

Bei der Vulkanisation mit reinem Schwefel sind Doppelbindungen in der Hauptkette nötig. Betrachtet man sich das cis-1,4-Polyisopren, so sieht man, dass diese Doppelbindungen vorhanden sind.

Abb. 6: Doppelbindungen im cis-1,4-Polyisopren

Der Mechanismus der Vulkanisation ist noch nicht vollständig geklärt, vereinfacht kann man aber sagen: Die Polymerketten werden mit Schwefel versetzt, die Doppelbindungen werden aufgebrochen und es entstehen Schwefelbrücken zwischen den Polymerketten.



Abb. 7: Vulkanisation mit reinem Schwefel

Wichtig ist dabei zum einen, dass die Schwefelbrücken unterschiedliche Längen haben. Abbildung 7 zeigt beispielhaft Schwefelbrücken mit 2 und 3 Schwefelatomen, in der Regel sind aber auch noch mehr Schwefelatome an den Schwefelbrücken beteiligt. Zum anderen sind in Abbildung 7 sehr viele Schwefelbrücken auf kleinem Raum eingezeichnet, im Normalfall haben die Schwefelbrücken einen größeren Abstand zueinander. Abbildung 7 soll hier nur als Ideevorstellung dienen.

2.2 Weich- und Hartgummi

Die Anzahl der Schwefelbrücken entscheidet, wie elastisch der Gummi wird. Wenig Schwefelbrücken ergeben Weichgummi, relativ viele Schwefelbrücken ergeben Hartgummi.

Abb. 8: Weich - und Hartgummi im Vergleich

Um dann wirklich einen Autoreifen zu erhalten, wird der Kautschuk mit Füllstoffen, wie Ruße, Weichmacher, Alterungsschutz und Pigmenten versetzt.


Zusammenfassung. Gummireifen bestehen zum Hauptteil aus Kautschuk, welcher heutzutage zu über 60% synthetisch hergestellt wird. Trotzdem sind Autoreifen Mischungen aus Natur- und Synthesekautschuk. Chemisch gesehen handelt es sich dabei um cis-1,4-Polyisopren. Das dazugehörige Monomer ist Isopren. Entscheidend ist die Vulkanisation, da der Kautschuk erst dadurch die Eigenschaften erlangt, die für Autoreifen nötig sind.

Abschluss. Zwar bestehen sowohl das Holzrad als auch der Gummireifen aus einem an sich spröden Material, die Verarbeitung von beiden unterscheidet sich aber enorm. Während das Holz unverändert bleibt, wird der Kautschuk so behandelt, dass er alle Eigenschaften für einen gut gedämpften Reifen liefert. Durch diese zusätzliche Dämpfung wird der Fahrkomfort massiv erhöht.


 Literatur:

  1. Cowie, J. M. G.: Chemie und Physik der synthetischen Polymere, 1. Auflage. Springer-Verlag, Heidelberg. 2000.
  2. http://de.wikipedia.org/wiki/Kautschukbaum#/media/File:Rubber_tree_plantation.JPG (27.10.16)
  3. http://de.wikipedia.org/wiki/Kautschukbaum#mediaviewer/File:Latex_dripping.JPG (27.10.16)
  4. Persönliche Mitteilung von Prof. Dr. Peter Strohriegl, LS Makromolekulare Chemie I, Universität Bayreuth.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 20.06.17