Chloropren (CR): Eigenschaften, chemischer Aufbau und Einordnung als Synthesekautschuk
1. Was ist CR?
Chloropren (CR) ist ein synthetischer Elastomerwerkstoff und gehört zur Gruppe der polaren Kautschuke. Innerhalb der Elastomerfamilie nimmt CR Material eine besondere Stellung ein, da es ein ausgewogenes Eigenschaftsprofil aus mechanischer Belastbarkeit, Umweltbeständigkeit und chemischer Resistenz aufweist, ohne als Hochleistungswerkstoff klassifiziert zu werden.
Wie ist Chloropren entstanden?
CR zählt zu den ältesten industriell hergestellten Synthesekautschuken. Die Entwicklung erfolgte Anfang der 1930er-Jahre im Zuge der Suche nach alternativen Elastomerwerkstoffen zum damals strategisch kritischen Naturkautschuk. Mit der erfolgreichen Polymerisation von Chloropren gelang erstmals die industrielle Herstellung eines Elastomers mit deutlich verbesserter Alterungs- und Witterungsbeständigkeit, wodurch CR Gummi früh eine hohe technische Relevanz erlangte.
Was ist Chloropren, was Neopren?
CR ist die werkstofftechnische Bezeichnung für Polychloropren gemäß internationaler Norm, während Neopren ursprünglich ein Handelsname für Chloropren-Kautschuk war. Der Begriff Neopren wurde in den 1930er-Jahren für die ersten kommerziellen CR-Qualitäten geprägt und hat sich seither als umgangssprachliche Bezeichnung etabliert.
In der heutigen technischen Verwendung steht CR für die Werkstoffgruppe, während Neopren meist informell oder marketinggetrieben verwendet wird.
Wie ist CR chemisch aufgebaut?
Die chemische Basis von Chloropren Kautschuk ist das Monomer 2-Chlor-1,3-Butadien (C₄H₅Cl), besser bekannt als Chloropren. Chloropren ist eine bei Raumtemperatur farblose Flüssigkeit. Durch Emulsionspolymerisation entsteht daraus Polychloropren, das als CR bezeichnet wird. Die Polymerstruktur besteht aus einer ungesättigten Kohlenstoff-Hauptkette, an die in unregelmäßigen Abständen Chloratome gebunden sind. Diese Chloratome sind entscheidend, da sie die Polarität des Materials erhöhen und damit maßgeblich zu den besonderen Eigenschaften von CR beiträgt.
Abbildung 1: Chemischer Prozess vom einem Chloropren Monomer (links) durch Polymerisation zu einem Chloropren Polymer (rechts)
Während Naturkautschuk (NR) vollständig aus Isopren-Einheiten besteht, unterscheidet sich CR durch die eingebaute Chlorgruppe. Ein charakteristisches Merkmal von CR ist seine teilweise kristalline Struktur. Obwohl das Polymer überwiegend amorph vorliegt, können unter bestimmten Bedingungen kristalline Bereiche entstehen, die für eine verbesserte mechanische Festigkeit sorgen. Diese Mikrostruktur erklärt, warum Polychloropren in der Praxis eine gute Balance zwischen Elastizität und Festigkeit aufweist. Im Gegensatz zu unpolaren Synthesekautschuken wie SBR oder BR weist CR durch die Chlor-Substitution eine reduzierte Reaktivität gegenüber Schwefel auf. Das bedeutet, dass klassische Schwefelnetzwerke weniger stabil wären.
2. CR Eigenschaften
Chloropren-Kautschuk zeichnet sich durch eine einzigartige Kombination von mechanischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften aus, die ihn von anderen Synthesekautschuken unterscheidet. Diese Eigenschaften beruhen vor allem auf der Chlor-Substitution in der Polymerstruktur und der besonderen Vulkanisationschemie.
Normen & Richtlinien von CR
CR wird gemäß internationalen Klassifikationsnormen ISO 1629 sowie ASTM D1418 als Chloropren-Kautschuk eingeordnet. Diese Normen dienen der werkstofflichen Zuordnung, legen jedoch keine konkreten Eigenschaftswerte fest.
Die Prüfung mechanischer Kennwerte erfolgt auf Basis allgemeiner Elastomerprüfnormen, unter anderem ISO 37 (Zugversuch), ISO 48 (Härte), ISO 34 (Weiterreißfestigkeit) sowie ISO 815 (Druckverformungsrest). Die thermische Alterungsbeständigkeit wird üblicherweise mittels Wärmealterungsprüfungen nach ISO 188 bewertet.
Für die Beurteilung der Medienbeständigkeit kommen Prüfungen gemäß ISO 1817 zum Einsatz, bei denen Volumen-, Massen- und Eigenschaftsänderungen nach definiertem Medienkontakt ermittelt werden.
Reinheits- & Sauberkeitsanforderungen
Neben mechanischen und chemischen Kennwerten können bei CR Compounds anwendungsspezifische Reinheits- und Sauberkeitsanforderungen relevant sein. Diese sind nicht durch eigenständige Normen definiert, sondern ergeben sich aus prozess- oder kundenspezifischen Vorgaben.
Im Fokus stehen extrahierbare Bestandteile, migrationsfähige Additive sowie partikuläre Verunreinigungen. Die tatsächliche Reinheit wird durch die Compound-Zusammensetzung, die Rohstoffauswahl und die Verfahrensführung bestimmt. Reinheitsanforderungen stellen bei CR keinen allgemeinen Materialkennwert dar, sondern das Ergebnis einer gezielten werkstofftechnischen Auslegung.
Grenzen von Chloropren
Trotz seines ausgewogenen Eigenschaftsprofils weist Chloropren (CR) werkstofftypische Einschränkungen auf. Die Beständigkeit gegenüber Mineralölen, Kraftstoffen und aromatischen Kohlenwasserstoffen ist begrenzt und liegt deutlich unterhalb von NBR oder FKM. Auch die thermische Dauergebrauchstemperatur ist im Vergleich zu Hochleistungs-Elastomeren eingeschränkt.
Unter dauerhafter Wärmebelastung kann es zu einer beschleunigten Alterung kommen, insbesondere bei ungünstiger Vernetzungs- oder Rezepturauslegung. Zudem ist die Elastizität und Rückprallelastizität geringer als bei Naturkautschuk oder stark elastischen Synthesekautschuken.
3. Chloropren Herstellung & Verarbeitung
CR Kautschuk wird mit den für Elastomere üblichen Fertigungsverfahren verarbeitet. Die Formgebung erfolgt überwiegend durch Kompressionsformpressen, Transferformpressen oder Spritzgießen, abhängig von Bauteilgeometrie, Stückzahl und geforderter Maßhaltigkeit. Darüber hinaus wird CR auch extrudiert, beispielsweise für Profile, Schläuche oder Halbzeuge, die anschließend konfektioniert oder weiterverarbeitet werden.
CR Kautschuk ist relativ einfach zu verarbeiten, erfordert jedoch einen kontrollierten Fertigungsprozess, da das Material während der Verarbeitung zur Abspaltung von Chlorwasserstoff neigt. Eine unkontrollierte Abspaltung von Chlorwasserstoff während der Verarbeitung führt zur Schädigung der Polymerstruktur, wodurch das entstehende Bauteil inhomogene mechanische Eigenschaften, eine reduzierte Alterungsbeständigkeit und eine eingeschränkte Langzeitstabilität aufweisen kann.
Vulkanisation & Vernetzung
Die elastischen Eigenschaften von CR Gummi werden durch Vulkanisation erzeugt, bei der ein dreidimensionales Polymernetzwerk aufgebaut wird. Aufgrund der chlorhaltigen Polymerstruktur unterscheidet sich die Vernetzungschemie von CR deutlich von der unpolarer Elastomere. Daraus ergeben sich zwei grundsätzlich mögliche Vernetzungssysteme, die sich in ihrer technischen Bedeutung und im resultierenden Eigenschaftsprofil unterscheiden.
Metalloxid-Vernetzung
Die Metalloxid-Vulkanisation ist das technisch bevorzugte und industriell etablierte Vernetzungsverfahren für CR Kautschuk. Hierbei werden Zinkoxid und Magnesiumoxid als Vernetzer eingesetzt. Diese Metalloxide übernehmen eine Doppelfunktion: Zum einen binden sie den während der Verarbeitung und Vulkanisation freigesetzten Chlorwasserstoff und verhindern damit einen strukturellen Abbau des Polymers. Zum anderen ermöglichen sie die Ausbildung stabiler Vernetzungsstrukturen innerhalb des Polymernetzwerks.
Abbildung 2: Vernetzung von Chloropren: In Schritt 1 (links) liegen unvernetzte Polychloropren-Ketten vor. In Schritt 2 setzt die chemische Vernetzung ein. In Schritt 3 (rechts) ist ein dreidimensional vernetztes Elastomernetzwerk ausgebildet.
Das resultierende Elastomer zeichnet sich durch hohe thermische Stabilität, sehr gute Alterungs- und Ozonbeständigkeit sowie ein ausgewogenes mechanisches Eigenschaftsprofil aus.
Schwefelvernetzung
Bei der Schwefelvernetzung reagiert das Polymer über die noch vorhandenen Doppelbindungen ähnlich wie Natur- oder Styrol-Butadien-Kautschuk. Es entstehen elastische Polysulfidbrücken, die dem Werkstoff eine hohe Rückstellkraft und gute dynamische Eigenschaften verleihen. Allerdings deaktiviert das Chloratom die Doppelbindung gegenüber typischen Schwefelradikalen. In der Folge bilden sich Schwefelnetzwerke langsamer, sind instabiler und oft weniger reproduzierbar als bei unpolaren Kautschuken. Die Schwefelvulkanisation wird daher selten bis gar nicht verwendet.
4. Materialvergleich: CR vs. andere Elastomere
Für CR sind insbesondere Vergleiche mit NBR, NR und EPDM aussagekräftig, da diese Werkstoffe häufig als Alternativen in der Werkstoffauswahl diskutiert werden.
| Chloropren | Nitril- Kautschuk | Naturkautschuk | Ethylen- Propylen-Dien- Kautschuk | ||
| Internationales Kurzzeichen | CR | NBR | NR | EPDM | |
| Härtebereich (in Shore) | 20A-90A | 20A-75D | 25A-70D | 20A-95A | |
| Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur | Reißfestigkeit | 3 | 2 | 4 | 4 |
| Reißdehnung | 3 | 3 | 3 | 3 | |
| Rückprallelastizität | 2 | 2 | 4 | 3 | |
| Weiterreißwiderstand | 3 | 2 | 4 | 3 | |
| Abriebwiderstand | 1 | 2 | 1 | 1 | |
| Druckverformungsrest | bei max. Dauereinsatztemperatur | 2 | 0 | 1 | 2 |
| bei Raumtemperatur | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| Thermisches Verhalten | Kälteverhalten (Tg) bis °C | -40 | -30 | -55 | -30 |
| Max. Dauereinsatz-Temperatur bis °C | 100 | 110 | 70 | 130 | |
| Beständigkeit gegen | Benzin | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Mineralöl (bei 100 °C) | 2 | 3 | 1 | 1 | |
| Säuren (wässrige anorg. Säuren bei RT) | 2 | 2 | 2 | 3 | |
| Laugen (wässrige anorg. Laugen bei RT) | 2 | 2 | 2 | 3 | |
| Wasser (bei 100 °C, dest.) | 2 | 2 | 2 | 3 | |
| Witterung und Ozon | 2 | 2 | 1 | 3 | |
Tabelle 1: Materialvergleich von Chloropren (CR) mit Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Naturkautschuk (NR) und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM)
Was kostet CR?
Im Vergleich zu anderen Elastomeren weist CR ein mittleres Kostenniveau auf und positioniert sich zwischen Standard- und Hochleistungswerkstoffen.
| Material | EPDM | NBR | CR | TPE/TPU | Silikon (LSR) | Silikon (HTV) | HNBR | FKM |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Kosten-faktor | x 1,0 | x 1,0 | x 1,2 | x 1,3 | x 1,4 | x 1,8 | x 2,9 | x 3,7 |
Tabelle 2: Kostenvergleich von Chloropren (CR) mit anderen gängigen Elastomeren
Was unterscheidet CR von NR?
Im Vergleich zu Naturkautschuk weist CR eine deutlich bessere Alterungs-, Ozon- und Witterungsbeständigkeit auf. Naturkautschuk bietet hingegen eine höhere Elastizität und Rückprallelastizität, ist jedoch gegenüber Umwelteinflüssen deutlich empfindlicher.
Was unterscheidet CR von EPDM?
CR besitzt eine höhere Beständigkeit gegenüber Ölen und Fetten als EPDM, während EPDM eine überlegene Beständigkeit gegenüber Wasser, Dampf und Witterung aufweist. Damit positioniert sich CR zwischen ölbeständigen und witterungsbeständigen Elastomeren mit einem ausgewogenen Eigenschaftsprofil.
Was unterscheidet CR von NBR?
NBR zeigt eine deutlich bessere Beständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen, während CR eine höhere Ozon-, Alterungs- und Flammenbeständigkeit aufweist. CR wird daher dort eingesetzt, wo Umweltbeständigkeit wichtiger ist als maximale Ölresistenz.