Hast Du Dich schon einmal gefragt, wieso ein Flummi springt, wenn Du ihn auf den Boden fallen lässt, während andere Plastikartikel, nach dem Fallen, einfach liegen bleiben?
Flummis und andere elastische Kunststoff-Gegenstände wie Reifen oder Dichtungen sind aus dem Kunststofftyp Elastomer aufgebaut. Grund für die elastische Eigenschaft des Flummis ist die Struktur der Elastomere. Wie Elastomere definiert werden, welche weiteren Eigenschaften sie besitzen und wozu sie noch verwendet werden, erfährst Du in dieser Erklärung.
Elastomere Definition
Der Name Elastomer stammt von den beiden griechischen Wörtern elastos und meros ab, welche übersetzt "dehnbar" und "Teil" bedeuten. "Elastomer" heißt übersetzt also so viel wie "dehnbarer Teil". Der Namen der Kunststoff-Gruppe verrät Dir somit schon einiges über die Eigenschaften von Elastomeren.
Elastomere sind eine Untergruppe der Kunststoffe. Sie können durch Druck oder Zug verformt werden, wobei die Verformung nur über die Dauer der Belastung anhält.
Elastomere Struktur
Elastomere gehören zu den organischen Molekülen, da sie auf dem Element Kohlenstoff, genauer gesagt langen Kohlenstoffketten, basieren. Stoffe, die aus Makromolekülen wie langen Kohlenstoffketten bestehen, nennst Du auch Polymere. Die einzelnen Bauteile dieser Molekülketten nennst Du Monomere. Sie sind durch kovalente Bindungen miteinander verknüpft.
Als kovalente Bindung bezeichnest Du chemische Bindungen zwischen zwei meist nicht metallischen Atomen, bei denen sich die beiden Atome ihre beiden Bindungselektronen "teilen". Willst Du mehr über chemische Bindungen, oder speziell die kovalente Bindung lernen? Dann schaue Dir unbedingt die passenden Erklärungen dazu an.
Nicht nur die Monomere der Elastomere sind durch kovalente Bindungen miteinander verbunden, auch die makromolekularen Kohlestoffketten untereinander. Aufgrund dessen wird auch von intermolekularen kovalenten Bindungen gesprochen.
Neben den Elastomeren gibt es zwei weitere Kunststoff-Gruppen: die Thermoplaste und die Duroplasten. Alle Kunststofftypen bestehen aus langen Kohlenstoffketten, unterscheiden sich jedoch in ihrer Struktur und den daraus resultierenden Eigenschaften voneinander. Während Duroplaste deutlich mehr kovalente Bindungen zwischen den Kohlenstoffketten besitzen als Elastomere, haben Thermoplaste gar keine.
Wenn Du mehr über die Struktur, Eigenschaften oder Verwendungsgebiete der Thermo- oder Duroplaste lernen willst, sind die beiden passenden Erklärungen wie für Dich gemacht.
Elastomere Eigenschaften
Die Struktur der Elastomere hat natürlich Einfluss auf ihre Eigenschaften. So sind Elastomere:
- gummielastisch,
- nicht schmelzbar,
- nicht in Lösemittel löslich und
- besitzen keine thermoplastische Eigenschaften (Ausnahme: thermoplastische Elastomere).
Elastomere Gummielastizität
Aufgrund der weitmaschigen Vernetzung der Molekülketten eines Elastomers, sind die Kohlenstoffketten zwischen den Verknüpfungen beweglicher als etwa bei den Duroplasten. Da die Entropie des Kunststoffs durch das Verdrillen der Molekülketten zunimmt, liegen die Polymerketten eines Elastomers im Ausgangszustand als ungeordnetes Knäuel vor.
Die Entropie beschreibt das Bestreben eines Systems nach Unordnung. Spontan ablaufende Reaktionen oder Prozesse, wie das Verdrillen der Molekülketten eines Elastomers, führen immer zu einer größeren Unordnung und somit zur Zunahme der Entropie. Mehr über die Entropie erfährst Du in der Erklärung zum Thema Entropie.
Ziehst oder drückst Du nun an diesen Knäuel, so entwirrst Du die Molekülketten und streckst sie, beziehungsweise drückst sie noch näher zusammen. Dadurch verändert sich die äußere Form des Elastomers und die Wärmeabgabe führt zu einer Entropiezunahme. Führst Du keine Belastung mehr auf den Elastomer aus, so kehrt er, aufgrund der höheren Entropie, wieder in seinen entropisch günstigeren Ausgangszustand zurück. Du nennst die Elastizität der Elastomere deshalb auch Entropie-Elastizität oder Gummielastizität.
Je mehr intermolekulare kovalente Bindungen ein Elastomer besitzt, desto härter und spröder wird er. Grund dafür ist die fehlende Beweglichkeit der Molekülketten zwischen den einzelnen Verknüpfungen. Diese lassen sich bei einer hohen Dichte an Vernetzungen nicht wirklich lange ziehen, beziehungsweise zusammendrücken, sodass sie ihre Form bei Zug- oder Druckbelastungen (beinahe) beibehalten.
Elastomere Thermische Eigenschaften
Die Elastizität von Elastomeren nimmt mit ansteigender Temperatur zu. Ist die Temperatur zu niedrig, sind Elastomere nicht elastisch. Grund dafür ist die benötigte Wärmeenergie, die zur Rückformung des Elastomers und somit zum entropisch günstigeren Zustand nötig ist.
Elastomere können je nach Temperatur die folgenden drei Zustände annehmen:
- hartelastischer Zustand
- thermoelastischer Zustand
- thermische Zersetzung
Als Glasübergangstemperatur wird die Temperatur bezeichnet, bei der ein Elastomer vom hartelastischen Zustand in den thermoelastischen Zustand übergeht. Die Glasübergangstemperatur eines Elastomers ist somit individuell und befindet sich stets unter dessen Einsatztemperatur.
In der folgenden Tabelle erkennst Du die Eigenschaften der Elastomere in den verschiedenen Zuständen zusammengefasst:
| Zustand | Temperatur | Eigenschaften der Elastomere | Vernetzung |
| hartelastischer Zustand | unter Glasübergangstemperatur | sehr spröde, glasartig und unelastisch | engmaschige Vernetzung durch:Van-der-Waals-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen,kovalente Bindungen |
| thermoelastischer Zustand | über Glasübergangstemperatur | gummielastisch | weitmaschige Vernetzung durch:kovalente Bindungen |
| thermische Zersetzung | hohe Temperatur | Elastomer schmilzt nicht, sondern zersetzt sich | keine Vernetzungen, da die kovalenten Bindungen zwischen den Molekülketten durch die starken Wärmebewegungen der Atome zerstört werden |
Tabelle 1: Eigenschaften der Elastomere in verschiedenen Zuständen
Thermoplastische Elastomere
Thermoplastische Elastomere sind besondere Kunststoffe. Sie sind, wie der Name schon andeutet, sowohl strukturell als auch von den Eigenschaften her eine Mischung der beiden Kunststofftypen Elastomere und Thermoplasten.
Thermoplastische Elastomere verhalten sich bei Raumtemperatur wie herkömmliche Elastomere gummielastisch. Jedoch lassen sich thermoplastische Elastomere bei Temperaturerhöhung wie Thermoplasten plastisch verformen.
Der Vorteil von thermoplastischen Elastomeren liegt in deren Verarbeitung. Durch ihren thermoplastischen Charakter, können sie durch Wärmezufuhr dynamisch verarbeitet werden, besitzen bei Raumtemperatur aber trotzdem die Gummielastizität von Elastomeren. Außerdem können thermoplastische Elastomere anders als Elastomere aufgrund ihrer thermoplastischen Eigenschaften recycelt werden.
Zum Thema Recycling von Elastomeren findest Du im weiteren Verlauf dieser Erklärung nähere Informationen.
Elastomere Herstellung
Um die Monomere eines Elastomers zu Polymeren zu verknüpfen, gibt es folgende drei Verfahren:
Polymerisation
Bei einer Polymerisation werden organische Monomere, die mindestens eine Doppelbindung besitzen, durch das Auflösen dieser Doppelbindung zu Polymeren verknüpft. Es entstehen keine Nebenprodukte und die entstandenen Polymere werden auch als Polymerisate bezeichnet.
Polyaddition
Bei der Polyaddition reagieren zwei Monomere, die jeweils mindestens zwei unterschiedliche funktionelle Gruppen besitzen, miteinander. Dabei wird, wie bei der Polymerisation, kein Nebenprodukt abgespalten. Den durch Polyaddition entstandenen Kunststoff nennt man auch Polyaddukt.
Polykondensation
Bei der Polykondensation verbinden sich zwei Monomere mit jeweils zwei unterschiedlichen funktionellen Gruppen. Kunststoffe, die auf diese Weise entstehen, sind sogenannte Polykondensate. Anders als bei den anderen beiden Verfahren entsteht bei dieser Reaktion ein Nebenprodukt. Am häufigsten spaltet sich bei einer Polykondensation Wasser (H₂O) ab, aber auch andere kleine Moleküle wie Chlorwasserstoff (HCl) oder Ammoniak (NH3) können Nebenprodukte von Polykondensationen sein.
Willst Du mehr über die Polymerisation, die Polyaddition oder die Polykondensation erfahren, dann schau Dir gern die passenden Erklärungen zu den Themen an.
Elastomere Verwendung
Aufgrund ihrer Eigenschaften werden Elastomeren nur in speziellen Bereichen angewandt. Sie kommen gerade dann zum Einsatz, wenn ein gummielastisches Verhalten erforderlich ist. Typische Einsatzgebiete von Elastomeren sind deshalb:
- Reifen,
- Gummibänder,
- Schutzhandschuhe und
- Dichtungen, aber auch
- Yogamatten und
- Schuhsohlen.
Elastomere Recycling
Es gibt kaum ein Recyclingverfahren, durch das Elastomere in ihrem ursprünglichen oder einem gleichwertigen Verwendungsgebiet wieder eingesetzt werden können. Meist werden zu recycelnde Elastomere zu Pulver oder Granulaten verarbeitet und diese dann anderen Produkten untergemischt. So können "recycelte" Elastomere unter anderem in folgenden Produkten enthalten sein:
- Fußboden- oder Sportplatzmatten,
- Farben,
- Lacken oder
- Pulverbeschichtungen.
Alte Reifen können somit beispielsweise in Schuhsohlen wiederverwendet werden.
Elastomere Beispiele
Im folgenden Abschnitt bekommst Du einen Überblick über Elastomere, mit denen Du im Alltag oft in Berührung kommst.
Butadien-Kautschuk (BR)
Butadien-Kautschuk, kurz BR (engl. butadiene rubber), besteht aus dem Monomer 1,3-Butadien und wird durch Polymerisation hergestellt. Der Elastomer ist unter anderem in KFZ-Reifen und Kernen von Golfbällen zu finden.
Butylkautschuk (IIR)
Butylkautschuk wird auch Isobuten-Isopren-Kautschuk genannt und daher mit IIR (engl. isobutene-isoprene rubber) abgekürzt. Der Elastomer wird ebenfalls durch Polymerisation hergestellt und besteht zu 95–99 % aus Isobuten und zu 5–1 % aus Isopren. Da Butylkautschuk aus mehr als einer Monomer-Art besteht, bezeichnet man den Kunststoff auch als Copolymerisat. Butylkautschuk wird etwa als Chemikalienschutzhandschuh und als Bestandteil von Dichtungen, Luftschläuchen und auch Kaugummis verwendet.
Elastomere – Das Wichtigste
Elastomere sind eine Untergruppe der Kunststoffe und zeichnen sich durch ihre Gummielastizität aus.
Sie sind aus Monomeren aufgebaut, die über Polymerisation, Polyaddition oder Polykondensation zu langen Molekülketten verknüpft werden.
Elastomere sind:
Sie können, je nach Temperatur, folgende drei Zustände annehmen:
hartelastischer Zustand (unter Raumtemperatur),
thermoelastischer Zustand (bei Raumtemperatur),
thermische Zersetzung (hohe Temperatur).
Thermoplastische Elastomere sind eine Mischung der beiden Kunststofftypen Elastomere und Thermoplasten. Sie verhalten sich bei Raumtemperatur gummielastisch, aber lassen sich bei Wärmezufuhr plastisch verformen.
Verwendet werden Elastomere unter anderem in Reifen, Gummibändern, Dichtungen oder Schutzhandschuhen.
Nachweise
- sattler-scm.de: Elastomere. (10.10.2022)
- maschinenbau-wissen.de: Elastomere, Elaste. (10.10.2022)
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