Naturkautschuk (NR) ist ein hochelastisches Elastomer aus nachwachsenden Rohstoffen mit hoher Reißfestigkeit, guten dynamischen Eigenschaften und niedrigem Wärme- und Rollwiderstand. Ohne entsprechende Schutzmittel ist die Alterungs- und Ozonbeständigkeit von NR nur gering. NR ist nicht beständig gegenüber Mineralölen und -fetten sowie empfindlich gegenüber Ozon, UV-Strahlung, starken Säuren und Ölen.
1. Was ist Naturkautschuk (NR)?
Definition von Naturkautschuk (NR)
Naturkautschuk (engl. Natural Rubber, NR) wird auf natürlichem Wege gewonnen. Es ist ein hochpolymerer Kohlenwasserstoffkautschuk, der aus dem Latex des Kautschukbaums Hevea brasiliensis gewonnen wird. Naturkautschuk ist amorph, hat eine niedrige Glastemperatur und weist bei Raumtemperatur eine sehr hohe Elastizität auf, weshalb er in Reifen auf Naturkautschukbasis, Naturkautschuk-Dichtungen und anderen dynamisch belasteten Teilen Anwendung findet.
Historie von Naturkautschuk (NR)
Bereits indigene Kulturen am Amazonas verwendeten Latex für Bälle und einfache Dichtungen. Die Entdeckung von Naturkautschuk durch Europäer geht auf Kolumbus-zeitliche Entdeckungsreisen zurück. Der US-amerikanische Erfinder Charles Goodyear entwickelte 1839 in den USA die Vulkanisation und schuf damit aus dem weichen, temperaturempfindlichen Naturkautschuk einen belastbaren technischen Werkstoff (Gummi), der auch heute noch eine relevante Grundlage für die Kautschukindustrie ist. Seitdem ist NR die Basis für Anwendungen wie Reifen, Dichtungen und technische Formteile.
Chemische Zusammensetzung von Naturkautschuk (NR)
Naturkautschuk ist ein Polymerisat des Monomers Isopren (2-Methyl-1,3-Butadien), das zu über 99 % cis-1,4-polymerisiert vorliegt. Die mittlere molare Masse liegt üblicherweise zwischen 500.000 und 2 Mio. g/mol. Diese sehr langen, flexiblen Molekülketten erklären die hohe Elastizität des Materials. Im natürlichen Latex sind zusätzlich Wasser, Proteine, Harze, Fette und Mineralstoffe enthalten, die in der Weiterverarbeitung weitgehend entfernt werden bzw. abgestimmt werden müssen, um Reife- und Werkstoffeigenschaften zu verbessern. Ein charakteristisches Merkmal von NR ist die dehnungsinduzierte Kristallisation (Strain-Induced Crystallization, SIC): Unter mechanischer Dehnung ordnen sich die Molekülketten lokal kristallin an, was die Reiß- und Weiterreißfestigkeit deutlich erhöht und sich nach Entlastung wieder zurückbildet.
Abbildung 1: Chemischer Aufbau von Naturkautschuk (NR)
2. Merkmale und Eigenschaften von Naturkautschuk (NR)
Chemische Eigenschaften von NR
Naturkautschuk ist ein ungesättigtes Polymer mit vielen freien Doppelbindungen in der Hauptkette, wodurch es gegenüber Ozon, Sauerstoff und UV-Strahlung sehr reaktiv ist. Unvulkanisierte oder ungeschützte NR-Teile altern dadurch relativ schnell und werden rissig. NR ist gegenüber vielen verdünnten Säuren und Laugen relativ beständig, jedoch sehr empfindlich gegenüber Ölen, Fetten und Benzin. Bei Kontakt mit diesen apolaren Medien quillt NR auf und verliert dabei seine mechanischen Eigenschaften. Daher sind Antiozon- und Alterungsschutzmittel (Stabilisatoren, Wachse) erforderlich.
Mechanische Eigenschaften von NR
Vulkanisierter NR weist eine hohe Zugfestigkeit, eine sehr gute Elastizität und überdurchschnittliche dynamische Eigenschaften auf. Typische Zugfestigkeiten von NR liegen zwischen 15 und 35 MPa, abhängig vom Mischungsaufbau und der Verarbeitung. Gleichzeitig weist NR hohe Dehnungen (häufig über 500 %) auf. NR weist außerdem einen sehr niedrigen Wärme- und Rollwiderstand auf, wodurch es als Reifen-Basiswerkstoff geeignet ist – jedoch mit begrenzter Abrasionsbeständigkeit im Vergleich zu bestimmten synthetischen Kautschuken wie SBR oder EPDM.
Physikalische Eigenschaften von NR
Elastomere werden im gummielastischen Bereich oberhalb ihrer Glastemperatur (Tg) eingesetzt. Unterhalb des Tg verspröden sie stark. Der Tg von NR liegt bei ca. -63 °C (DSC, Midpoint, 2nd heating). Aufgrund dieses niedrigen Tg behält NR seine Elastizität bis etwa -50 °C und weist eine sehr gute Flexibilität bei tiefen Temperaturen auf. Bei Temperaturen oberhalb von 80–100 °C verliert NR seine Materialbeständigkeit. NR ist wasserabweisend und zeigt begrenzte Dämpfungseigenschaften, weshalb häufig andere Elastomere kombiniert oder Füllstoffe wie Ruß oder Kieselsäure zugesetzt werden. Die spezifische Dichte von Reinkautschuk liegt bei 0,91 g/cm³; technische Mischungen liegen aufgrund von Füllstoffen wie Ruß oder Kreide deutlich höher (typisch 1,0–1,3 g/cm³).
3. Verarbeitung von Naturkautschuk (NR)
Gewinnung des Latex – Kautschukzapfung
Zur Gewinnung des Milchsafts des Hevea brasiliensis muss der Baum nicht gefällt werden. Die Baumrinde wird dazu mit einem flachen, schrägen Schnitt eingeritzt. Dadurch werden die Latexgefäße (Milchröhren) geöffnet und der Latex tritt aus. Die Flüssigkeit fließt aus dem Schnitt und wird aufgefangen. Nach einigen Stunden kann der gesammelte Latex weiterverarbeitet werden. Der Prozess kann regelmäßig wiederholt werden.
Vulkanisation von NR
Für die Vulkanisation werden die linearen Molekülketten in NR über Schwefel miteinander quervernetzt, wodurch Monosulfid- oder Polysulfidbrücken entstehen, die eine hohe Reißfestigkeit und Elastizität des Werkstoffes ermöglichen. Die Vernetzungsdichte der Polymerketten wird durch die Schwefelmenge und die Cure-Zeit beeinflusst. Die Cure-Zeit bezeichnet die Dauer, die eine Mischung bei einer definierten Temperatur benötigt, um den gewünschten Vernetzungsgrad zu erreichen; sie wird üblicherweise mittels Rheometer (z. B. MDR) ermittelt. Neben der konventionellen Vulkanisation über Schwefelbrücken existieren effiziente (EV) und semi-effiziente (SEV) Systeme, die die Vernetzungsdichte erhöhen und die Beständigkeit gegen Hitze und Alterung verbessern, jedoch den Roll- und Wärmeaufbau leicht erhöhen.
Technische Verarbeitung von NR
Naturkautschuk wird typischerweise als Mill-Stock oder als Latex geliefert und durch Mischen mit Füllstoffen, Weichmachern, Schutzmitteln und Vernetzern in das finale Material umgewandelt. Diese Verarbeitung erfolgt in Misch- und Walzwerken, gefolgt von Profilierung (Kalander, Extruder) und anschließender Formpressung oder Heißformvulkanisation. NR neigt zu klebrigen Oberflächen und kann bei zu langer Verarbeitung bzw. unkontrollierter Temperatur übervulkanisieren.
4. Materialvergleich: Naturkautschuk im Vergleich mit anderen Elastomeren
NR wird besonders bei wiederholter Verformung, hoher Rückstellfähigkeit und geringem Wärmeaufbau eingesetzt. Typische Anwendungen sind Naturkautschukdichtungen, Naturkautschuk-Schwingungsdämpfer und Naturkautschukmembranen. Spezielle Reifen sowie Bauteile in der Fördertechnik werden weiterhin häufig auf Naturkautschukbasis hergestellt.
Hinsichtlich der Witterungs-, Ozon- und Alterungsbeständigkeit liegt NR deutlich hinter EPDM. Bei Kontakt mit Ölen, Fetten und Kraftstoffen ist NBR die robustere Wahl gegenüber NR. SBR ähnelt NR in den mechanischen Eigenschaften und wird als kostengünstigere Alternative in Reifenmischungen eingesetzt, erreicht jedoch häufig nicht die hohe Reiß- und Weiterreißfestigkeit von NR. Bei extremen chemischen oder thermischen Belastungen wird meist FKM eingesetzt, das eine wesentlich höhere Temperatur- und Medienbeständigkeit aufweist, jedoch deutlich teurer ist.
| Natur- kautschuk |
Nitril- Kautschuk |
Styrol- Butadien- Kautschuk |
Ethylen- Propylen-Dien- Kautschuk |
||
| Internationales Kurzzeichen | NR | NBR | SBR | EPDM | |
| Härtebereich (in Shore) | 25A–70D | 20A–75D | 20A–70D | 20A–95A | |
| Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur |
Reißfestigkeit | 4 | 3 | 3 | 3 |
| Reißdehnung | 4 | 3 | 3 | 3 | |
| Rückprallelastizität | 4 | 2 | 3 | 3 | |
| Weiterreißwiderstand | 4 | 2 | 3 | 3 | |
| Abriebwiderstand | 3 | 2 | 3 | 3 | |
| Druckverformungsrest | bei max. Dauereinsatztemperatur | 1 | 1 | 1 | 2 |
| bei Raumtemperatur | 2 | 0 | 2 | 2 | |
| Thermisches Verhalten | Kälteverhalten (Tg) bis °C | -55 | -40 | -45 | -50 |
| Max. Dauereinsatz-Temperatur bis °C | 70 | 110 | 90 | 130 | |
| Beständigkeit gegen | Benzin | 1 | 2 | 1 | 1 |
| Mineralöl (bei 100 °C) | 1 | 3 | 1 | 1 | |
| Säuren (wässrige anorg. Säuren bei RT) | 1 | 2 | 2 | 3 | |
| Laugen (wässrige anorg. Laugen bei RT) | 1 | 2 | 2 | 3 | |
| Wasser (bei 100 °C, dest.) | 1 | 2 | 2 | 3 | |
| Witterung und Ozon | 1 | 2 | 1 | 3 | |
Tabelle 1: Materialvergleich von NR mit vergleichbaren Elastomeren
Aufgrund der relativ hohen Reaktivität gegenüber Sauerstoff ist Naturkautschuk leicht brennbar. Bei Wasserkontakt ist NR verhältnismäßig unkritisch, jedoch können Heißwasser, Wasserdampf und stark wechselnde Temperaturbedingungen die Beständigkeit von NR deutlich verschlechtern. Für dauerhaften Trinkwasserkontakt oder hygienisch anspruchsvolle Systeme werden daher häufig Werkstoffe mit expliziter Zulassung gewählt. Bei Lebensmittelkontakt sowie bei Biokompatibilität ist die Eignung von NR stark von der Zusammensetzung sowie den Additiven, Vulkanisationssystemen und Extraktionsverfahren abhängig – weniger vom Naturkautschuk selbst.
Für medizinische Zwecke ist Naturkautschuk aufgrund enthaltener allergener Proteine häufig ungeeignet. Diese Proteine können bei Hautkontakt Typ-1-Soforttypallergien (IgE-vermittelt, bis hin zu anaphylaktischen Reaktionen) sowie Typ-4-Spättypallergien (Kontaktallergien gegen Vulkanisationschemikalien) auslösen. Zusätzlich kann unabhängig von Allergien eine irritative Kontaktdermatitis auftreten. In medizinischen und lebensmittelnahen Anwendungen wird daher häufig auf latexfreie bzw. proteinarme Spezifikationen oder alternative Elastomere zurückgegriffen.
5. Relevante Prüfnormen
Für NR-Mischungen und -Bauteile sind insbesondere folgende Normen relevant: DIN ISO 1817 (Beständigkeit gegen Flüssigkeiten), DIN ISO 37 (Zugfestigkeit, Reißdehnung), DIN ISO 34-1 (Weiterreißwiderstand), DIN ISO 188 bzw. DIN ISO 11346 (Wärmealterung und Lebensdauervorhersage) sowie DIN ISO 1431-1 (Ozonbeständigkeit). Die Klassifizierung von Elastomerwerkstoffen erfolgt häufig nach ASTM D2000 bzw. der entsprechenden DIN-ISO-Normenreihe.
6. Kostenvergleich von NR zu anderen Elastomeren
NR liegt im Kostenvergleich verschiedener Elastomere im unteren Bereich, auf dem Niveau von EPDM und NBR (Kostenfaktor jeweils x 1,0). Der Rohstoffpreis unterliegt jedoch Schwankungen, da er von Erntemengen und dem Wettbewerb mit Synthesekautschuken abhängt, und kann in der Praxis leicht darunter oder darüber liegen.
| Material | NR | EPDM | NBR | CR | TPE/TPU | Silikon (LSR) | Silikon (HTV) | HNBR | FKM |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Kosten-faktor | x 1,0 | 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 NR
7. Nachhaltigkeit von Naturkautschuk
Der Kautschukbaum bindet während des Wachstums CO2 und eignet sich für Agroforstsysteme, die NR-Gewinnung mit anderen landwirtschaftlichen Nutzungen kombinieren. Gleichzeitig sind großflächige Kautschukplantagen, ähnlich wie Palmölplantagen, mit der Rodung von Tropenwäldern sowie damit verbundenen Lieferkettenrisiken verbunden. Für B2B-Abnehmer mit ESG-Anforderungen sind Herkunftsnachweise und Zertifizierungen (z. B. FSC für Plantagenflächen) bei der Beschaffung von NR daher zunehmend relevant.
8. Einordnung von Naturkautschuk als Werkstoff
NR ist bei dynamischer und mechanischer Beanspruchung gut geeignet, ist jedoch hinsichtlich chemischer Beständigkeit, Alterungsstabilität und Temperaturbereich gegenüber vielen synthetischen Elastomeren unterlegen. Die Materialwahl hängt daher stark vom Einzelfall ab: Bei Anforderungen an Medien-, Ozon- oder Temperaturbeständigkeit kommen meist synthetische Alternativen zum Einsatz.
