Chloropren-Kautschuk

Chloropren-Kautschuk, auch Polychloropren oder Chlorbutadien-Kautschuk, im deutschen Sprachraum besser bekannt als Neopren®, ist ein Polymerisat auf Basis 2-Chlor-1,3-butadien (Chloropren) und Spezialkautschuk (Elastomer) für verschiedene technische Anwendungen. Die Abkürzung nach ISO 1043 (1975) für Chloropren-Kautschuk ist CR. Neopren® ist ein Markenname der Firma DuPont. Andere Hersteller vertreiben ähnliche Produkte (z. B. Baypren® von Lanxess).

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Strukturformel

               Cl           Cl           Cl           Cl
               |            |            |            |               
    ...-CH2-CH=C-CH2-CH2-CH=C-CH2-CH2-CH=C-CH2-CH2-CH=C-CH2-...

Die Doppelbindungen sind sowohl in trans- als auch in cis-Stellung zu finden. Das Verhältnis trans/cis beträgt etwa 9:1. Die vinylisch gebundenen Chloratome sind sehr reaktionsträge und tragen zur Stabilität und Beständigkeit von Polychloropren bei. In sehr geringem Maße tritt auch Einbau in 1,2- und 3,4-Stellung auf. Die resultierenden Strukturen werden in der Literatur 1,2- bzw. 3,4-Einheit genannt und kommen abhängig von der Polymerisationstemperatur in der Größenordnung von jeweils einem Prozent in der Polymerkette vor.

           Cl 
           |
       ...-C-CH2-...    (1,2-Struktureinheit)
           |
           C=CH2     

      ...-CH2-CH-...     (3,4-Struktureinheit)
              |
           Cl-C=CH2      

Die 1,2-Einheit ist auf Grund des deutlich reaktiveren Chloratoms von entscheidender Bedeutung für die Vernetzung (Vulkanisation) des Polymers.

Historie

1930 wurde von Arnold Collins, im Team von Wallace Hume Carothers, u. a. zum ersten Mal Polychloropren unter wirtschaftlich günstigen Bedingungen im Emulsionsverfahren polymerisiert. Im Jahr 1932 brachte die US-amerikanische Firma DuPont das Polymer unter dem Namen Duprene, später, 1938 als Neoprene auf den Markt. In den folgenden Jahrzehnten gab es diverse Verbesserungen in Bezug auf das Herstellverfahren und Polymereigenschaften:

• Copolymerisate mit Schwefel (Neoprene GN) für verbesserte Verarbeitbarkeit 1939 (DuPont)
• Mercaptan-geregelte M-Grades in den Fünfziger Jahren (DuPont) für verbesserte Hitzebeständigkeit und Löslichkeit
• Xanthogendisulfid-modifizierte XD-Grades (Bayer AG) in den Achtziger Jahren für verbesserte Eigenschaften der Vulkanisate und verringerter Kristallisationsneigung.

Herstellung

Chloropren-Kautschuk wird großtechnisch im Verfahren der Emulsionspolymerisation hergestellt.

Durch den regelmäßigen Aufbau und hohen Anteil an 1,4-trans-Verküpfungen des Monomers während der Polymerisation neigt Polychloropren mehr oder weniger zur Kristallisation, welches zur Verhärtung des Materials einige Zeit nach der Verarbeitung führt. Für Klebstoffe ist dieses erwünscht, weniger jedoch für Gummiartikel (Vulkanisate). Durch geeignete Wahl der Polymerisationstemperatur, von Co-Monomeren und Verwendung von Reglern zur Molgewichtseinstellung lässt sich die Kristallisationsneigung entsprechend in die gewünschte Richtung beeinflussen.

Eigenschaften und Anwendungen

Gelöst in organischen Lösemitteln ist Polychloropren auf Grund der guten Beständigkeiten auch für diverse Klebstoffe geeignet. Vulkanisate, d. h. Gummiartikel mit entsprechendem Mischungsaufbau zeichnen sich durch chemische Beständigkeit, gute Widerstandsfähigkeit gegen Alterung, Witterungseinflüsse, Ozonangriff und durch Flammwidrigkeit aus.

• Gute Quellbeständigkeit in Mineralölen mit hohem Anilinpunkt, Fetten, vielen Kältemitteln und Wasser (bei speziellem Mischungsaufbau).
• Mittlere Quellbeständigkeit in Mineralölen, niedermolekularen aliphatischen Kohlenwasserstoffen (Benzin, Isooctan).
• Stark quellend in Aromaten, z.B. Benzol, Toluol, chlorierten Kohlenwasserstoffen, Estern, Ethern, Ketonen.
• Thermischer Anwendungsbereich etwa −45 °C bis +100 °C je nach Mischungszusammensetzung (kurzzeitig bis 130 °C).

Schläuche, Kabelummantelungen, extrudierte Profile, Dichtungen und Antriebsriemen auf Basis von Chloropren-Kautschuk finden sich durch die günstigen Eigenschaftskombinationen besonders im Automobilbau wieder.

Eine bekannte Anwendung, z. B. als Material für Taucheranzüge, ist das geschäumte Vulkanisat. Durch Einsatz chemischer Treibmittel, welche unterhalb der Vulkanisationstemperatur Gase freisetzen, lässt sich ein druckbeständiger Schaumstoff, bzw. Schaum- oder Moosgummi mit hervorragenden Isolationseigenschaften gewinnen.

Der weltweite Verbrauch an Chloropren-Kautschuk einschließlich Klebstoffen wird auf über 300.000 Tonnen geschätzt.

Vulkanisation

Chloropren-Kautschuk lässt sich im Gegensatz zu den meisten anderen ungesättigten Elastomeren nicht mit Schwefel vulkanisieren. Üblicherweise werden zur Vulkanisation von Polychloropren Metalloxide wie Zinkoxid (ZnO) und Magnesiumoxid (MgO) eingesetzt. Für verbesserte Wasserbeständigkeit kann – aus Gründen des Umweltschutzes in eingeschränktem Maße – Bleioxid verwendet werden. Ein typischer Vulkanisationsbeschleuniger ist Ethylenthioharnstoff (auch ETU = Ethylene Thio Urea), der als Schwefelspender (sulfur donor) gilt. Die chemischen Strukturen, die bei der Vulkanisation von Polychloropren mittels ZnO und MgO in Gegenwart von ETU entstehen, sind ausschließlich auf die Reaktion von allylisch gebundenem Chlor zurückzuführen, welches nur zu wenigen Prozenten in der Polymerkette vorhanden ist. Nachgewiesen wurden als Netzknoten Diallylether, Diallylthioether sowie C-C Verknüpfungen aus Additionsreaktionen durch Eliminierung gebildeter Dienstrukturen. Die in der Mehrzahl vorhandenen vinylisch gebundenen Chloratome reagieren unter den Vulkanisationsbedingungen (ca. 160°C) praktisch nicht. Aus diesem Grund lässt sich die Vernetzungsdichte von Polychloropren auch nicht durch höhere Zugaben der Vulkanisationsmittel steigern.

Polychloropren lässt sich mit diversen anderen Polymeren verschneiden: in Mischung mit Naturkautschuk (NR) oder auch Polybutadien (BR) zur Kostenreduzierung und Verbesserung der Tieftemperaturflexibilität, mit Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) zur Kostensenkung und Verringerung der Kristallisationsneigung sowie mit Acrylnitril-Butadien Kautschuk (NBR) oder Ethylene-Propylen-Kautschuk (EPDM) zur Verbesserung der Ölbeständigkeit.

geschäumtes Neopren

Im geschäumten Neopren sind viele kleine Gasbläschen gleichmäßig verteilt, wodurch es hervorragende thermische Isoliereigenschaften besitzt. Am bekanntesten ist diese Nutzung zur Herstellung von Kälteschutzanzügen für den Wassersport (Tauchanzüge, Surfanzüge) aber auch Flaschenkühler, Sportbandagen und Schutzhüllen jeder Art, Schalldämmlager für Treppenläufe oder sonstigen Auflagern

Für die Verwendung von Sportbekleidung wird Neopren in verschiedenen Stärken entsprechend der gewünschten Wärmeisolierung hergestellt. Dickeres Material isoliert besser, ist aber auch weniger dehnbar und hat einen höheren Auftrieb.

In der Regel ist Neopren beidseitig mit Textilgewebe (Nylon oder Lycra) kaschiert, wodurch die Oberfläche geschlossen und weniger anfällig für Beschädigungen wird. Glatthautneopren ist nur einseitig kaschiert und hat einseitig eine geschlossene, glatte Kautschukoberfläche. Dieses Material eignet sich für Dichtungsstreifen innerhalb der Neopren-Kleidung. Neben den kaschierten Anzugs-Versionen gibt es auch unkaschierte. Sie sind besonders elastisch und wegen ihrer engen Passung ebenfalls wasser- und damit wärmeisolierend. Der Vorteil liegt besonders in der Flexibilität, die eine große Bewegungsfreiheit ermöglicht. Ein Nachteil ist ihre Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Einflüssen.

Bei der Herstellung von Neopren-Kleidung wird das Material auf Stoß miteinander verklebt.

Literatur

• R. Musch, E. Rohde and H. Casselmann, Kautsch. Gummi, Kunstst. 49 (1996) 340
• R. Musch, Hagg, The Polymeric Materials Encyclopedia, CRC Press, Inc. 1996