Vulkanisierter Kautschuk

Vulkanisierter Kautschuk ist Kautschuk, dessen lange Moleküle miteinander verknüpft wurden, ursprünglich durch Erhitzen von Naturkautschuk mit Schwefel; so bleibt er bei Hitze und Kälte elastisch, statt klebrig oder spröde zu werden. Charles Goodyear in den Vereinigten Staaten und Thomas Hancock in Großbritannien entwickelten das Verfahren Anfang der 1840er-Jahre; erst damit wurde Gummi für Reifen, Schläuche, Dichtungen und Schuhe brauchbar.

Was es ist

Naturkautschuk stammt aus Latex, einer milchigen Flüssigkeit, die aus Schnitten in der Rinde bestimmter tropischer Bäume fließt, heute vor allem des Parakautschukbaums Hevea brasiliensis. Getrocknet und gepresst ist er wasserdicht und dehnbar, doch roher Kautschuk wird an heißen Tagen weich und klebrig, bei Frost steif und rissig, und unter Last verformt er sich allmählich.

Die Vulkanisation behebt diese Mängel. Der Kautschuk wird mit wenig Schwefel gemischt und erhitzt. Daraus entsteht das Material von Reifen, Schläuchen, Förderbändern, Dichtungen, Stiefeln und Gummibändern, das über einen weiten Temperaturbereich in seine Form zurückfedert.

Wie es funktioniert

In Mesoamerika entstand Gummi, indem man den Latex von Castilla elastica mit dem Saft einer Prunkwinde mischte.

Kautschuk besteht aus sehr langen Kettenmolekülen, jedes aus Tausenden kleiner Bausteine. Im Rohkautschuk liegen die Ketten verknäult wie gekochte Spaghetti. Zieht man daran, strecken sie sich; lässt man los, knäueln sie sich wieder, daher die Elastizität. Untereinander verbunden sind sie aber nicht: Unter anhaltendem Zug oder in der Wärme gleiten sie aneinander vorbei, und das Material fließt und klebt.

Bei der Vulkanisationstemperatur lagern sich Schwefelatome an bestimmten Stellen der Ketten an und bilden Brücken zwischen benachbarten Ketten, aus je einem oder mehreren Schwefelatomen. Wenige Brücken pro Kette verwandeln das Knäuel in ein einziges lockeres Netz. Es lässt sich weiterhin stark dehnen, weil die Kettenstücke zwischen den Brücken sich entrollen können, aber es fließt nicht mehr und kehrt beim Loslassen in seine Form zurück.

Die Zahl der Brücken bestimmt die Härte. Weichgummi braucht nur einen kleinen Anteil Schwefel. Mit sehr viel mehr wird das Netz so dicht, dass das Produkt, Ebonit oder Hartgummi, starr und spröde ist. Mit Schwefel allein vulkanisiert Kautschuk langsam; seit Anfang des 20. Jahrhunderts machen Beschleuniger, aktiviert durch Zinkoxid und Stearinsäure, die Reaktion schneller und gleichmäßiger.

Wie man ihn herstellt

Goodyear erzählte, er habe den Effekt entdeckt, als eine Mischung aus Kautschuk und Schwefel einen heißen Ofen berührte und verkohlte, ohne zu schmelzen.

Gummiwaren entstehen in Fabriken mit beheizten Pressen, belüfteten Mischräumen und Absaugung. Heißer Schwefel entzündet sich leicht und verbrennt zu giftigem Schwefeldioxid, beim Vulkanisieren entstehen reizende Dämpfe, und moderne Beschleuniger reizen Haut und Atemwege: Vulkanisieren ist nichts für den Haushalt. Die Herstellung umfasst folgende Schritte.

Zapfen. Etwa jeden zweiten Tag wird entlang eines schräg verlaufenden Schnitts ein dünner Rindenspan abgeschabt, tief genug, um die Milchröhren zu öffnen, ohne das Kambium zu erreichen, die dünne Wachstumsschicht unter der Rinde. Der Latex läuft den Schnitt entlang in einen Becher.

Koagulieren. Der Latex wird verdünnt und mit einer schwachen Säure wie Ameisen- oder Essigsäure zum Gerinnen gebracht; der Kautschuk scheidet sich als weicher Quark ab. Man presst ihn zu Fellen und trocknet sie, oft im Rauch, der auch Schimmel fernhält.

Mischen. Der Rohkautschuk wird zwischen schweren Walzen bearbeitet, bis er weich wird, dann werden Schwefel, Füllstoffe und Beschleuniger eingeknetet.

Formen und Vulkanisieren. Die Mischung wird gepresst, extrudiert oder auf Gewebe gestrichen und dann in einer Presse oder einem dampfbeheizten Vulkanisierkessel erhitzt, bis die Brücken entstanden sind.

Ein einfacher, qualitativer Vergleich zeigt die Veränderung. Ein Gummiband zu einem Streifen aufschneiden und aus rohem, unvulkanisiertem Kreppkautschuk aus dem Bastelbedarf einen Streifen gleicher Breite, Dicke und Länge schneiden (manche Kreppsohlen sind vulkanisiert, daher die Angaben prüfen). An beide über Nacht dasselbe kleine Gewicht hängen, es abnehmen und zehn Minuten warten: Das Gummiband geht meist fast auf seine Länge zurück, der rohe Streifen bleibt eher gedehnt. Danach beide eine Stunde ins Gefrierfach legen, in Wasser von etwa 40 °C erwärmen und vergleichen, wie steif und wie klebrig sie sich anfühlen. Die Produkte enthalten unterschiedliche Füllstoffe, das Ergebnis zeigt also nur eine Tendenz.

Sicherheit. Keinen Schwefel erhitzen und nicht versuchen, zu Hause Kautschuk zu vulkanisieren: Die Dämpfe sind giftig, und geschmolzener Schwefel verbrennt die Haut und kann Feuer fangen. In der Fabrik können Mischwalzen Hände quetschen und einziehen, Pressen und Autoklaven sind heiß und stehen unter Druck: Sie brauchen geschützte Maschinen und geschultes Personal. Naturkautschuk und Latex lösen bei manchen Menschen Allergien aus: Wer gegen Latex allergisch ist, fasst die Proben nicht an, alle anderen tragen Nitrilhandschuhe. Die Wassertemperatur prüfen, bevor man die Hände hineinsteckt.

Geschichte und Entwicklung

In Mesoamerika wurde Kautschuk schon um 1600 v. Chr. verarbeitet. Man mischte den Latex von Castilla elastica mit dem ausgepressten Saft einer Prunkwinde, was ihn elastischer machte, und stellte daraus Bälle von bis zu 7 kg für ein rituelles Ballspiel her, außerdem Sandalensohlen und Bindungen. Spanische Beobachter beschrieben den Kautschuk im 16. Jahrhundert. In Europa und Nordamerika verbreitete sich sein Gebrauch Anfang des 19. Jahrhunderts, doch Waren aus Rohkautschuk wurden im Sommer weich und rissen im Winter.

1837 ließ Thomas Hancock eine Maschine zum Kneten von Rohkautschuk patentieren, und in den 1830er-Jahren stellten mehrere Leute fest, dass Schwefel ihn weniger klebrig machte. Charles Goodyear, ein verschuldeter Eisenwarenhändler, dessen Geldgeber in der Krise von 1837 erneut absprangen, probierte jahrelang Behandlungen aus. 1839 berührte nach seiner Darstellung ein Klumpen Kautschuk mit Schwefel einen heißen Ofen und verkohlte am Rand, ohne zu schmelzen. Er brauchte etwa fünf Jahre, um das Verfahren zuverlässig zu machen. In Großbritannien sah Hancock 1842 Proben des amerikanischen geschwefelten Kautschuks und entwickelte ein eigenes Verfahren; am 21. November 1843 meldete er ein Patent auf das Vulkanisieren an, Goodyears US-Patent Nr. 3.633 folgte am 15. Juni 1844. Der Name, nach Vulcanus, dem römischen Gott des Feuers, stammt von Hancocks Freund William Brockedon. Goodyear führte jahrelang Patentprozesse und starb 1860, ohne an seiner Entdeckung verdient zu haben.

Frucht, Samen und Blatt des Kautschukbaums: Jede Kapsel enthält drei Samen, wie sie Wickham 1876 nach Kew schickte.

Die Nachfrage nach Reifen, Riemen und Isolierungen löste einen Ansturm auf den Wildkautschuk des Amazonasbeckens aus. 1876 verschiffte Henry Wickham etwa 70.000 Hevea-Samen aus Brasilien in die Kew Gardens bei London, und die Sämlinge wurden in britische Kolonien in Asien weitergeschickt. 1900 erzeugten die asiatischen Plantagen etwa 4 Tonnen, gegenüber rund 27.000 Tonnen, die im Amazonasgebiet gesammelt wurden; 1916 lieferten sie bereits den größten Teil des Weltkautschuks. Viele Synthesekautschuke, die später aus Erdöl hergestellt wurden, vulkanisiert man auf ganz ähnliche Weise mit Schwefel; andere, etwa Neopren, werden mit Metalloxiden vernetzt.