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Elastomere

Elastomere

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:

ZustandTemperaturEigenschaften der ElastomereVernetzung
hartelastischer Zustandunter Glasübergangstemperatursehr spröde, glasartig und unelastischengmaschige Vernetzung durch:Van-der-Waals-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen,kovalente Bindungen
thermoelastischer Zustandüber Glasübergangstemperaturgummielastischweitmaschige Vernetzung durch:kovalente Bindungen
thermische Zersetzunghohe TemperaturElastomer schmilzt nicht, sondern zersetzt sichkeine 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:

    • gummielastisch,

    • nicht schmelzbar,

    • nicht in Lösemittel löslich und

    • besitzen keine thermoplastischen Eigenschaften (Ausnahme: thermoplastische Elastomere).

  • 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

  1. sattler-scm.de: Elastomere. (10.10.2022)
  2. maschinenbau-wissen.de: Elastomere, Elaste. (10.10.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Elastomere

Elastomere sind Kunststoffe, die gummielastisch sind.

Nein, Elastomere sind nicht schweißbar.

Ja, Elastomere sind aufgrund der Dichte von Verknüpfungen der Molekülketten immer amorph.

Nein, Nylon gehört zu den Thermoplasten.

Finales Elastomere Quiz

Frage

Welche zwei Kunststofftypen gibt es neben den Elastomeren noch? 

Antwort anzeigen

Antwort

Es gibt noch: 


  • Duroplasten und
  • Thermoplasten.

Frage anzeigen

Frage

Nenne mindestens zwei Eigenschaften von Elastomeren.

Antwort anzeigen

Antwort

Elastomere sind:


  • gummielastisch,
  • nicht schmelzbar,
  • nicht in Lösemittel löslich und
  • besitzen keine thermoplastischen Eigenschaften (Ausnahme: thermoplastische Elastomere).

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Glasübergangstemperatur? 

Antwort anzeigen

Antwort

Als Glasübergangstemperatur wird die Temperatur bezeichnet, bei der ein Elastomer vom hartelastischen Zustand in den thermoelastischen Zustand übergeht.

Frage anzeigen

Frage

Wo liegt die Glasübergangstemperatur für ein Elastomer? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Glasübergangstemperatur liegt für Elastomere unter der Einsatztemperatur. Die konkreten Werte sind von der Art des Elastomers abhängig. 

Frage anzeigen

Frage

Wieso sind Elastomere im hartelastischen Zustand so spröde, glasartig und unelastisch?

Antwort anzeigen

Antwort

Aufgrund der engmaschigen Vernetzung der Molekülketten durch Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen und kovalenten Bindungen, sind Elastomere im hartelastischen Zustand spröde, glasartig und unelastisch.

Frage anzeigen

Frage

Wie nennt man die einzelnen Bauteile eines Elastomers?

Antwort anzeigen

Antwort

Monomer.

Frage anzeigen

Frage

Durch welche chemische Bindung sind die Kohlenstoffketten eines Elastomers verknüpft?

Antwort anzeigen

Antwort

Durch kovalente Bindungen.

Frage anzeigen

Frage

Können Elastomere durch Druck- oder Zugbelastungen dauerhaft verformt werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Nein.

Frage anzeigen

Frage

Was beschriebt die Entropie?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Entropie beschreibt das Bestreben eines Systems nach Unordnung.

Frage anzeigen

Frage

Nenne Einsatzgebiete von Elastomeren.

Antwort anzeigen

Antwort

Mögliche Einsatzgebiete sind: 


  • Reifen,
  • Gummibänder,
  • Dichtungen,
  • Schutzhandschuhe,
  • Yogamatten und
  • Schuhsohlen.

Frage anzeigen

Frage

Durch welche drei Verfahren kann man die Monomere eines Elastomers zu Polymeren verknüpfen?

Antwort anzeigen

Antwort

Durch:


  • die Polymerisation,
  • die Polyaddition,
  • und die Polykondensation.

Frage anzeigen

Frage

Welche drei Zustände können Elastomere je nach Temperatur annehmen?

Antwort anzeigen

Antwort

Sie können folgende drei Zustände annehmen:


  • hartelastischer Zustand,
  • thermoelastischer Zustand,
  • thermische Zersetzung.

Frage anzeigen

Frage

Kann ein Elastomer vollständig recycelt werden? 

Antwort anzeigen

Antwort

Nein, nach der Aufbereitung ist das Elastomer nur noch für Sekundäranwendungen verfügbar. 

Frage anzeigen

Frage

Elastomere besitzen eine ... Dichte der Vernetzungen der Kohlenstoffketten gegenüber Duroplasten. 

Antwort anzeigen

Antwort

geringere

Frage anzeigen

Frage

Was passiert bei der thermischen Zersetzung von Elastomeren?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der thermischen Zersetzung von Elastomeren werden die kovalenten Bindungen zwischen den Molekülketten durch die starken Wärmebewegungen der Atome zerstört.

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Frage

Aus welchen beiden indischen Wörtern leitet sich die Bezeichnung "Kautschuk" ab und was bedeuten diese?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Bezeichnung "Kautschuk" leitet sich aus dem Indischen cao (= Baum) und ochu (=Träne) ab. Man bezeichnete Kautschuk also als "Träne des Baumes ".

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Frage

Kautschuk gehört zur Gruppe der...

Antwort anzeigen

Antwort

Elastomere

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Frage

Definiere Kautschuk kurz.

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Antwort

Kautschuk ist ein Oberbegriff für natürliche und synthetische Stoffe, die bei Raumtemperaturen als gummielastische Stoffe vorliegen, eine niedrige Glastemperatur aufweisen und weitmaschig vernetzt sind. Er gehört zur Gruppe der Elastomere.  Das beutet, dass Kautschuk nach dem Verformen bzw. Dehnen wieder seine Ursprungsform einnimmt, wenn die Krafteinwirkung nachgelassen hat. Bei zu starker Belastung jedoch bricht auch Kautschuk.

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Frage

Kautschuk ist empfindlich gegen...

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Antwort

Lufteinwirkungen

Frage anzeigen

Frage

Warum ist Kautschuk ach nach der Vulkanisation noch licht- und luftempfindlich? Wie wird das Molekül stabilisiert?

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Antwort

Aufgrund dessen, dass bei der Vulkanisation nicht alle Doppelbindungen eingenommen werden, ist das Elastomer immer noch gegen Licht- und Lufteinwirkungen empfindlich. Erst durch die Zugabe von Füllstoffen wie Ruß oder Zinkoxid wird das Produkt richtig stabilisiert.

Frage anzeigen

Frage

Ein polymeres Kautschukmolekül kann aus 1) .................... bis 2).................... Isoprenmolekülen aufgebaut sein.

Antwort anzeigen

Antwort

1) 3000

2) 10 000

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Frage

Richtig oder Falsch.


Früheste Entdeckung von Kautschuk in Mittelamerika


Das älteste bekannte Vorkommen von Kautschuk geht auf die Zeit um 1600 v. Chr. zurück. Sowohl die Völker des mittelamerikanischen Mesoamerikas, als auch die indigen Völker Amazoniens haben den Kautschuk schon zu präkolumbianischer Zeit für sich entdeckt. Beispielsweise wurde zu dieser Zeit ein Mesoamerikanisches Ballspiel mit einem Vollgummi-Ball erfunden, aber auch Stoffe wurden mit Kautschuk beschichtet, um sie wasserabweisend zu machen. Sogar Füße wurden mit einem eingeschränkt haltbaren Gummizug überzogen - als eine Art Schuhwerk. 

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Antwort

Richtig

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Frage

Fülle die Lücken.


Kautschuk kommt nach Europa


Erst durch die Entdeckung 1) ............................... kam der Kautschuk auch in die europäischen Regionen, jedoch war er zu dem Zeitpunkt den meisten Menschen noch unbekannt. Durch 2) ............................ wurde er unter den Menschen bekannter. Beispielsweise schrieb 1615 Juan de Torquemada das Buch "De la Monarquia Indiana", in dem er beschrieb, wie die Indianer ihre Gegenstände 3) ..................................... machten. Nachdem Charles Marie de La Condamine 1735 - 1745 im Amazonasgebiet beobachten konnte, wie 4) ............................... verwendet und hergestellt wird, schrieb auch er ein Buch darüber.

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Antwort

1) Amerikas 

2) Bücher 

3) wasserabstoßend 

4) Kautschuk 

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Frage

Richtig oder Falsch.


Es entstanden immer mehr Berichte zum Thema Kautschuk, und die Menschen fingen an damit zu experimentieren: 1761 fand man ein Lösungsmittel, 1770 entstand der Radiergummi, 1824 er erste Regenmantel und die "Wellington boots" und so weiter.

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Antwort

Richtig

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Frage

Erkläre genauer, durch wen und durch was es zu einem sogenannten Kautschuk-Boom kam. Nenne auch Beispiele.

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Antwort

Charles Goodyear ( 1800-1860 ) erfand im Jahr 1839 die Vulkanisation. Dadurch konnte erstmals der plastische Kautschuk zu elastischen Gummi verändert werden.

Durch das neue Verfahren der Vulkanisation ergaben sich auch zahlreiche neue Anwendungsbereiche, sodass es in den Jahren von 1839 - 1910 in der Amazonasregion zu einem sogenannten Kautschukboom kam. Aus dieser Zeit stammen beispielsweise das Teatro Amazonas in Manaus oder die 364 km lange Maderia-Mamoré-Eisenbahn.

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Frage

Richtig oder Falsch. 


Der meisten (ca. 90% der Gesamtquellen) und qualitativ besten Kautschuk gewinnt man aus der ca. 20 Meter hohen Hevea brasillienssis aus dem Amazonasgebiet - aus dessen Rinde wird Naturkautschuk hergestellt.

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Antwort

Falsch

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Frage

Naturkautschuk wird hauptsächlich aus dem ............................. (.....................) der Hevea brasillienssis aus dem Amazonasgebiet gewonnen. 

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Antwort

Milchsaft / Latex (Latices )

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Frage

Aus was setzt sich der Latex zusammen?

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Antwort

60 - 75% Wasser

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Frage

Erkläre die Vorgehensweise, wie man aus dem Latex eines Baumes den Rohkautschuk herstellt.

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Antwort

Möchtest du Rohkautschuk aus dem natürlichen Latex gewinnen, musst du diesen zunächst in flachen Behältern gerinnen lassen. Danach setzten sich die Kautschukteilchen vom Wasser ab, den Rohkautschuk kannst du danach einfach rausheben. Zur Beschleunigung dieses Schrittes wird dem Latex eine Säure (beispielsweise Essig- oder Ameisensäure) zugesetzt. 

Im nächsten Schritt musst du den Rohkautschuk waschen und anschließend zu Folien oder dünnen Platten auswalzen. 

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Frage

Wie wird Synthesekautschuk hergestellt?

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Antwort

Synthetischer Kautschuk wird grundsätzlich aus dem Grundstoff Erdöl gewonnen. Technisch kannst du den Synthesekautschuk aus ungesättigten Kohlenwasserstoffatomen als Grundmaterial (beispielsweise Butadien, Styrol oder Polyurethan) mit Hilfe der radikalischen Substitution herstellen.

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Frage

Fülle die Lücken


Silikon-Kautschuk


Anders als bei dem natürlichen und synthetisch hergestellten Kautschuk besteht der Silikon-Kautschuk nicht aus Kohlenstoff-Molekülhauptketten. Der Silikon-Kautschuk besteht nämlich aus 1) ............................................., die aus 2) ....................................... Sauerstoff- und Siliziumatomen (-Si-O-Si-Bindung - Siloxanbindung genannt) aufgebaut sind. Deshalb wird dieser Elastomer auch 3) ......................................... genannt. 

Antwort anzeigen

Antwort

1) Silikon-Polymerketten 

2) alternierenden 

3) Polyorganosiloxan 

Frage anzeigen

Frage

Nenne jeweils einen Verwendungszweck für Natur-, Synthese-, und Silikonkautschuk.

Antwort anzeigen

Antwort

Naturkautschuk: PKW oder Flugzeug Reifen, Luftballon, Radiergummi, Handschuhe


Synthesekautschuk: PKW Reifen, Dichtungen am PKW, Tauchanzüge


Silikonkautschuk: Schläuche für die Medizin- oder Motorindustrie, Dichtungen am PKW, Kuchen- und Eisformen, Radiergummi

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