IIR-Kautschuk: Hohe Gasdichtigkeit, gute Dämpfung und starke Witterungsbeständigkeit

1. Was ist Butylkautschuk (IIR)?

Butylkautschuk, chemisch „Isobuten-Isopren-Kautschuk“, kurz IIR, ist ein synthetisches Elastomer, das sich durch seine sehr geringe Gasdurchlässigkeit sowie seine Beständigkeit gegenüber Sauerstoff, Ozon und vielen anderen Chemikalien auszeichnet. IIR ist ein Copolymer, bestehend aus Isobuten-Monomeren und einem kleinen Anteil an Isopren-Monomeren. Aufgrund seiner Langzeitstabilität, Gasdichtigkeit und Resistenz gegenüber Chemikalien kommt er häufig in Dichtungs- und Membrananwendungen zum Einsatz.

Historie von Butylkautschuk (IIR)

In den 1930er Jahren wurde IIR von Forschern und Forscherinnen als Alternative zu Naturkautschuk (NR) entwickelt. In den 1940ern wurde IIR-Kautschuk schließlich industriell produziert und hauptsächlich als Reifeninnenschläuche verwendet, da IIR gegenüber NR eine deutlich niedrigere Gasdurchlässigkeit aufweist. In den folgenden Jahrzehnten wurde IIR in diversen Formen und Variationen weiterentwickelt, sodass seine Eigenschaften für viele Anwendungsbereiche erweitert wurden. Daher gehört IIR auch heute noch zu den wichtigsten Synthesekautschuken weltweit und wird aufgrund seiner hohen Gasdichtheit sowie seiner Langzeitbeständigkeit in anspruchsvollen Anwendungsbereichen wie Dichtungen in Bau- und Automobilindustrie, Medizintechnik oder in chemischen Apparaten verwendet.

Chemische Zusammensetzung von Butylkautschuk (IIR)

Butylkautschuk ist ein sogenanntes Copolymer, bestehend aus den Monomeren Isobuten und Isopren, wobei Isobuten etwa 95–99 mol% ausmacht, während Isopren in deutlich geringerer Molarität mit etwa 1–5 mol% enthalten ist. Der Isobuten-Anteil bildet die langkettige, vollständig abgesättigte Polymerkette, während die Isopreneinheiten durch die enthaltenen Doppelbindungen Angriffsstellen zur späteren Vulkanisation darstellen. Butylkautschuk verfügt über eine chemisch spezielle Struktur, wodurch ein sehr dichtes Polymer entsteht, das für die hohe Gasdichtheit und Alterungsbeständigkeit verantwortlich ist.

Abbildung 1: Chemischer Aufbau von IIR: Aus einem Isobutenmonomer (links) und einem Isoprenmonomer (mittig) entsteht durch Polymerisation das IIR-Copolymer (rechts).

2. Eigenschaften und Merkmale von Butylkautschuk (IIR)

Die Eigenschaften von IIR lassen sich in die Bereiche „chemische Eigenschaften“, „mechanische Eigenschaften“ und „physikalische Eigenschaften“ unterteilen. Weiterhin existieren modifizierte Butylkautschuke, die besonders bei anspruchsvollen Anwendungen zum Einsatz kommen.

Chemische Eigenschaften von IIR

Butylkautschuk ist chemisch sehr resistent gegenüber Sauerstoff, Ozon und vielen anderen Chemikalien, insbesondere gegenüber Säuren, Basen und Oxidationsmitteln. Gegenüber aromatischen Kohlenwasserstoffen, Mineralölen oder Fetten ist Butylkautschuk hingegen empfindlich. Bei Kontakt mit diesen Stoffen beginnt der Werkstoff zu quellen oder weist mechanische Schwächen auf. Durch die geringe Doppelbindungsdichte im Polymer ist IIR zwar sehr stabil gegenüber Alterung und Ozon, jedoch wird dadurch auch die Vulkanisation erschwert, da dafür Doppelbindungen getrennt werden müssen und dann neue Bindungen in anderen Richtungen gebildet werden. Bei geringer Doppelbindungsdichte ist der Quervernetzungsgrad geringer und die mechanischen Eigenschaften werden gestört.

IIR gilt zwar nicht als klassisches „biokompatibles“ Elastomer, jedoch wird Butylkautschuk je nach Typ, Restmonomeren, Additiven und der Kontaktart (Haut, Blut, Implantat etc.) nach systemspezifischer Prüfung nach der ISO-10993-Norm in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt. In der Praxis kann IIR besonders bei kurzzeitigem oder indirektem Kontakt beispielsweise als Stopfen oder in Verschlüssen eingesetzt werden.

Für Anwendungen im Kontakt mit Lebensmitteln müssen spezielle IIR‑Compounds gewählt werden, die die entsprechenden Vorgaben wie EU‑1935/2004, FDA‑Listings und Positivlisten für Additive erfüllen. Für Trinkwasseranwendungen müssen zusätzliche nationale Vorschriften wie KTW-BWGL, DVGW-Arbeitsblätter und VDI 6023 (im Falle Deutschlands) eingehalten werden. Grundsätzlich sind daher IIR-Bauteile in Trinkwasser- und Lebensmittelanwendungen möglich, jedoch ist nicht jeder IIR-Werkstoff automatisch hierfür zugelassen.

Mechanische Eigenschaften von IIR

Mechanisch weist IIR eine hohe Elastizität, gute Reißfestigkeit und eine gute Dehnung auf. Typische IIR-Bauteile zeigen Bruchdehnungen im Bereich von etwa 400 bis 800% der Ursprungsgröße, teils sogar darüber. Die Härte von IIR liegt dabei je nach Formulierung zwischen 30 und 80 Shore A, was flexible, aber formstabile Produkte ermöglicht. Gleichzeitig zeigt sich diese Weichheit von IIR auch in einer geringeren Abriebfestigkeit im Vergleich zu Naturkautschuk. Weiterhin zeigt IIR eine begrenzte dynamische Belastbarkeit bei sehr hohen Frequenzen, was sich in stark beanspruchten Reifenlaufstreifen oder Dämpfungselementen nachteilig auswirken kann.

Physikalische Eigenschaften von IIR

Die außerordentlich niedrige Gasdurchlässigkeit ist eine Schlüsseleigenschaft von Butylkautschuk. IIR weist eine etwa zehnmal niedrigere Gasdurchlässigkeit auf als Naturkautschuk, wodurch das Material ideal für Butylkautschukdichtungen, Innenschläuche oder gasdichte Membranen geeignet ist. Weiterhin weist IIR eine gute elektrische Isolationsfähigkeit und ein breites Arbeitstemperaturfenster von -60 °C bis +130 °C auf. Innerhalb dieser Temperaturen bleiben die mechanischen Eigenschaften weitgehend erhalten und die Performance des Butylkautschuk-Bauteils bleibt gegeben. Nachteilig ist insbesondere die geringe Wärmeleitfähigkeit. Dies kann besonders bei wärmebelasteten Anwendungen zu Problemen führen, da dadurch lokale Hitze-Hotspots auftreten.

IIR ist ohne Füllstoffe und spezielle Additive elektrisch isolierend und wird daher häufig für Kabelisolierungen und elektrische Dichtungen eingesetzt. Durch Zugabe geeigneter Füllstoffe wie Ruß, Graphit oder Ruß/Faser-Kombinationen können antistatische bis leitfähige Materialien formuliert werden. Je nach Mischung kann so der elektrische Charakter des Werkstoffes individuell angepasst werden.

Modifizierte Butylkautschuke

Modifizierte Varianten von IIR sind vor allem halogenierte Butylkautschuktypen wie Brombutyl (BIIR) und Chlorbutyl (CIIR), die durch Halogenierung von Standard-IIR in Lösung hergestellt werden. Dabei werden Brom- bzw. Chloratome werden in die Isopreneinheiten eingebaut, wodurch ein deutlich verändertes Aktivitätsprofil entsteht. BIIR zeigt eine deutlich schnellere Vulkanisation, was zu höheren Vernetzungsgraden, besseren Rückstelleigenschaften und kürzeren Zykluszeiten führt. CIIR kombiniert die Eigenschaften von BIIR mit zusätzlich sehr guter Wärmealterungsbeständigkeit, niedrig bleibender Verformung und ausgezeichneter Haftung in Reifeninnenlinern und Karkassenverbünden.

Mechanisch zeigen BIIR/CIIR-Varianten verbesserte Zugfestigkeit, geringere bleibende Verformung und bessere Ermüdungsfestigkeit bei gleichzeitig guter Luftdichtigkeit. In dynamischen Anwendungen sind Bauteile aus halogenierten Butylkautschuken aufgrund ihrer feineren molekularen Netzwerke besonders attraktiv für hochdynamische Einsatzbereiche wie Reifen, Schwingungsdämpfer und Membranen.

3. Verarbeitung von Butylkautschuk (IIR)

Polymerisation

IIR wird durch kationische Polymerisation von Isobuten mit Hilfe eines Katalysators wie Aluminium(III)-chlorid oder Bortrifluorid hergestellt. Der Katalysator aktiviert hierbei das Monomer, das anschließend die Polymerkette ausbildet. Um präzise steuerbare und immer gleichbleibende Eigenschaften und Qualitäten des Werkstoffes zu erreichen, wird Butylkautschuk bei tiefen Temperaturen von etwa -90 bis -100 °C polymerisiert. Die tiefen Temperaturen ermöglichen eine sehr regelmäßige, lineare Polymerstruktur, die in Anwendungen wie Butylkautschuk-Dichtungen zu sehr hohen Gasdichtheiten beiträgt. Der Isopren-Anteil im Polymer wird dabei kontrolliert zugesetzt, um die gewünschte Doppelbindungsdichte und damit die Vulkanisationsfähigkeit zu gewährleisten.

Vulkanisationsverfahren von IIR

Die Vulkanisation von IIR Kautschuk erfolgt meist mit Schwefel-Systemen, wobei der verhältnismäßig geringe Anteil der Doppelbindungen zu relativ langsamen Vernetzungsreaktionen führt. Hierbei werden bei Temperaturen von etwa 120 bis 160 °C die Doppelbindungen im Polymer durch Schwefelatome aufgebrochen und neue, quervernetzende Schwefelbrückenbindungen zwischen den Polymerketten ausgebildet. So schafft die strukturelle Änderung ein mechanisch und thermisch stabileres Netzwerk.

Abbildung 2: vulkanisierte Form von IIR

Modifizierte, halogenierte Varianten wie Chlor-Butyl-Kautschuk (CIIR) oder Brom-Butyl-Kautschuk (BIIR) können für eine schnellere und gleichmäßigere Vernetzung verwendet werden, da die Halogenatome die Reaktivität erhöhen. Nachteile dabei sind jedoch beispielsweise die erhöhte Anfälligkeit für Gaseinschlüsse aufgrund der höheren Gasdichtheit des IIR-Materials. Zur Vermeidung dieser Defekte werden Zusammensetzungen sorgfältig abgestimmt, um eine optimale Netzwerkdichte zu erreichen.

Technische Verarbeitung von IIR

Technisch wird IIR hauptsächlich durch Misch- und Vulkanisationsanlagen verarbeitet. Dadurch ist die Herstellung von Butylkautschuk mit Füllstoffen, Weichmachern und Vulkanisationsmitteln möglich. Aufgrund der relativ hohen Viskosität und der guten Gasdichtheit lässt sich IIR besonders gut mittels Extrusion, Kalandrierung und Spritzguss verarbeiten. Dies erfordert jedoch oft längere Mischzeiten und eine sorgfältige Entlüftung, um Gaseinschlüsse zu vermeiden. Weiterhin wird IIR häufig mit anderen Kunststoffen wie NR oder EPDM gemischt, um Verarbeitbarkeit, Dynamik und Kosten zu optimieren. Hierdurch lassen sich exzellente Butylkautschuk-Dichtungen mit hoher Langzeitstabilität, Gasdichtheit und hoher Resistenz gegenüber Chemikalien herstellen.

4. Materialvergleich zwischen Butylkautschuk (IIR) und anderen Elastomeren

Vergleicht man die Butylkautschuk-Eigenschaften mit alternativen Kautschuken, zeichnet sich IIR vor allem durch die höchste Gasdichtheit aus. Generell zeigt IIR sehr hohe Beständigkeit gegenüber wässrigen anorganischen Säuren und Laugen bei Raumtemperatur, jedoch bleibt IIR bezüglich der Beständigkeit gegenüber Witterung und Ozon hinter FVMQ, VMQ, FKM, HNBR, CR und EPDM. Bei mechanischer Belastung muss zwischen einem sehr guten Reißdehnverhalten (ähnlich wie VMQ oder NR) und einem vergleichsweise schwachen Abriebwiderstand (HNBR > NBR > CR > SBR > EPDM > NR > FKM > IIR > FVMQ > VMQ). Im Härtegrad lassen sich IIR-Varianten formulieren von 30 Shore A bis 80 Shore A. Damit liegt IIR-Kautschuk in der Anpassungsspanne in einem mittleren Bereich, aber einer geringeren als bei anderen Kautschuken (bspw. NR, CR, VMQ, SBR, EPDM, NBR), die breiter in ihrer Härte angepasst werden können. Thermisch zeichnet sich Butylkautschuk besonders durch den Erhalt seiner Eigenschaften bis zu −60 °C aus. Diese Performance bleibt bis etwa 130 °C erhalten. IIR lässt sich daher vielseitig in hochbelasteten Anwendungen einsetzen – etwa als Reifenschläuche (bei starken Temperaturschwankungen), Dichtungen, Membranen, Tankauskleidungen und Schutzkleidung (z. B. Handschuhe), in der Pharmaindustrie (Verschlüsse, Stopfen), Elektroindustrie (Kabelisolierung), Automobilbranche (Schwingungsdämpfer) oder bei Sportartikeln (Bälle).

Internationales Kurzzeichen		IIR	IR	EPDM	SBR
Härtebereich (in Shore)		30A–80A	30A–95A	20A–95A	20A–70D
Mechanische Eigenschaften bei Raumtemp.	Reißfestigkeit	2	3	3	3
	Reißdehnung	4	3	3	3
	Rückprallelastizität	0	4	3	3
	Weiterreißwiderstand	3	3	3	3
	Abriebwiderstand	3	2	1	1
Druckverformungsrest	bei max. Dauereinsatz-Temperatur	4	1	0	1
	bei Raumtemperatur	2	0	0	0
Thermisches Verhalten	Kälteverhalten (Tg) bis °C	-60	-55	-50	-45
	Max. Dauereinsatz-Temperatur bis °C	130	80	130	90
Beständigkeit gegen	Benzin	1	1	1	1
	Mineralöl (bei 100 °C)	1	1	1	1
	Säuren (wässrige anorg. Säuren bei RT)	3	2	3	2
	Laugen (wässrige anorg. Laugen bei RT)	3	2	3	2
	Wasser (bei 100 °C, dest.)	3	2	3	2
	Witterung und Ozon	1	1	3	1

Tabelle 1: Vergleich der Eigenschaften von IIR mit anderen Kautschuk- und Silikonmaterialien

Kostenvergleich zwischen IIR und anderen Elastomeren

Preislich liegt IIR im mittleren Bereich gegenüber alternativen Elastomeren. IIR ist teurer als NR, SBR, EPDM und NBR (jeweils Faktor x1,0) und liegt auch über IR (Faktor x1,1). Im Vergleich zu höherpreisigen Werkstoffen wie VMQ (Faktor x1,6) liegt IIR auf einem ähnlichen Niveau, bleibt jedoch deutlich günstiger als FKM (Faktor x3,7).

Mate- rial	NR	SBR	EPDM	NBR	IR	IIR	VMQ	FKM
Kosten-faktor	x 1,0	x 1,0	x 1,0	x 1,0	x 1,1	x 1,6	x 1,6	x 3,7

Tabelle 2: Kostenvergleich von IIR mit anderen Kautschuk- und Silikonmaterialien