Naturkautschuk

Kautschukplantage in Kerala (Indien)

Kautschuk (indian. cao = Baum und ochu = Träne) ist ein Sammelbegriff für elastische Polymere, aus denen Gummi hergestellt wird. Einige der von Pflanzen erzeugten Kautschukarten sind: Naturkautschuk, Balata, Chicle-Gummi, Guttapercha und Guayule-Kautschuk. Die wichtigste Art ist der Naturkautschuk, der aus Latex des Kautschukbaums (Hevea brasiliensis) hergestellt wird.

In dem letzten hundert Jahren entstanden eine Reihe von synthetischen Kautschuken, die heute etwa 60 % des weltweiten Bedarfs abdecken. Darüberhinaus wird als Kautschuk auch Faktis und Kautschukregenerate verstanden.

Kautschuk kann vulkanisiert, unvulkanisiert oder vorvulkanisiert sein.

Geschichte

Präkolumbische Zeit

Die Völker Mesoamerikas und die indigenen Völker Amazoniens nutzten Naturkautschuk in vielfältiger Weise. Am bekanntesten ist das Mesoamerikanische Ballspiel mit einem Vollgummi-Ball. Auch seine wasserabweisende Eigenschaft war bekannt, so dass Stoff damit beschichtet wurde und die Mayas sollen ihre Füße so mit einem begrenzt haltbaren Gummiüberzug versehen haben.

Die ältesten bekannten Gegenstände aus Kautschuk stammen aus der Zeit von 1600 v. Chr..

Über Mesoamerika hinaus

Die Kunde erreichte anfangs nur wenige Menschen in Europa, etwa Kaiser Karl V., der von Hernán Cortés eine aztekische Ballspielmannschaft vorgeführt bekam. Erst durch Bücher gelang das Wissen verstärkt an die Öffentlichkeit. So beschrieben Juan de Troquemadas 1615 in „De la Monarquia Indiana“, wie die Indianer Gegenstände wasserabweisend machten und der Conquistador Bernal Díaz del Castillo um ca. 1520 aztekische Ballspieler. Dieser Bericht wurde allerdings erst 1632 in einer Bibliothek in Madrid entdeckt und veröffentlicht.

Charles Marie de La Condamine beobachtete auf einer wissenschaftlichen Expedition für die Pariser Akademie der Wissenschaft von 1735 bis 1745 im Amazonasgebiet auf welcher Weise Kautschuk verwendet wurde und beschrieb die indianische Herstellungsweise. Dies löste weitere Berichte und die ersten europäischen Versuche mit dem neuen Werkstoff aus: 1761 wurde ein Lösungsmittel für festen Kautschuk gefunden, um 1770 entstand der Radiergummi, 1791 ein erstes patentiertes Verfahren von Samuel Peal in Terpentin gelösten Kautschuk auf Gewebe aufzutragen, 1824 der erste Regenmantel oder Macintosh und die "Wellington boots". Diese frühen Gummistiefel, wurden durch Arthur Wellesley, 1. Herzog von Wellington im England des frühen 19. Jahrhunderts berühmt. Trotz dieser und weiterer Erfolge war das Material nach wie vor nur schwer zu gebrauchen, da es bei großer Hitze anfing zu kleben und bei Kälte spröde wurde.

Kautschukboom und Absturz

Charles Goodyear, in Scientific American Supplement NO. 787, 31. Jannuar 1891

Nach der Erfindung des Verfahrens der Vulkanisation im Jahre 1839 durch Charles Goodyear, kam es in der Amazonasregion in den Jahren von 1839 bis 1910 zu einem Kautschukboom, der die Städte Manaus und Belém zu den damals reichsten Regionen Brasiliens machte. Damals entstanden das Teatro Amazonas in Manaus, welches am 7. Januar 1897 mit La Gioconda von Amilcare Ponchielli eröffnete und die 364 km lange Madeira-Mamoré-Eisenbahn (EFMM). Diese sollte Kautschuk aus nur schwer per Schiff erreichbaren Gebieten des Amazonas bis nach Porto Velho, am Rio Madeira, transportieren. Die Eisenbahnverbindung wurde sogar im Vertrag von Petrópolis, zwischen Bolivien und Brasilien, erwähnt, da dort eine Verlängerung der Strecke von der brasilianischen Grenzstadt Guajará-Mirim am Río Mamoré bis in die bolivianischen Stadt Riberalta vereinbart wurde. Diese wurde allerdings nie gebaut, da der Kautschukboom zuvor endete.

Nachdem Kautschuk in Form von Gummi zu einem wichtigen Werkstoff wurde, gab es Versuche Kautschukbäume in Plantagen zu züchten. Nur ausserhalb Südamerikas gelang der Aufbau von Plantagen, so den Engländern in ihren Kolonien in Asien. Bereits 1876 hatte der Engländer Henry Wickham rund 70.000 Kautschuksamen aus Brasilien ins britische Ceylon (heute Sri Lanka) geschmuggelt, aber erst zu Anfang des 20. Jahrhundert kamen größere Mengen aus Asien auf den Markt. Eine weiteres wichtiges Kautschuk produzierendes Land war damals der Kongo-Freistaat unter der Herschaft von Leopold II., der mit verbrecherichen Methoden die Einheimischen zur Produktion zwang. Mit diesen Plantagen ausserhalb Brasiliens konnte der Preis gedrückt werden und der Kautschukbooms in Amazonien kam zu einem Ende. Zwar führte der große Bedarfs während des Ersten Weltkrieges noch einmal zu einem Aufschwung, doch das war nicht von Dauer.

Neben den Brasilianern leideten auch die Briten unter dem niedrigen Preis, weshalb sie 1920 den Stevenson Plan (en:Stevenson Plan) erdachten, ein Kautschuk-Kartell das vornehmlich zu Lasten des größten Verbrauchers, der USA, ging. Zu dieser Zeit entstand der Plan von Henry Ford Kautschuk selber in Brasilien anzubauen. Im heutigen Fordlândia, in der Gemeinde Aveiro, beschäftigte Ford in den zwanziger Jahren bis zu 5000 Arbeiter, aber wegen verschiedenen Schwierigkeiten, beispielsweise starkem Befall durch den in Brasilien vorkommenden Pilz Microcyclus ulei, mißlang das Projekt. 1934 gab es einen weiteren Versuch den Preis von Kautschuk zu stabilisieren. (en:International Rubber Regulation Agreement)

Kautschuk-Mangel während der Weltkriege

Während beider Weltkriege verlor Deutschland den Zugang zu seinen Kautschuk-Quellen, wodurch die Suche nach Alternativen befördert wurde. Im Ersten Weltkrieg wurde von Fritz Hofmann aus Dimethyl-Butadien, sogenanntes Methyl-Kautschuk, ein Gummiersatz hergestellt.

Auch während des Zweiten Weltkrieg wurde Kautschuk knapp. Diesmal nicht nur für die europäischen Achsenmächte sondern auf für die Alliierten, da die asiatischen Plantagen durch Japan erobert worden waren.

In Deutschland produzierte IG Farben ab 1935 in den Buna-Werken Styrol-Butadien-Kautschuk. Als Rohstoff diente beispielsweise in Schkopau Braunkohle und aus dem benachbarten Leunawerk stammte der notwendige Wasserstoff.

Ab 1940 lagerte die staatliche Rubber Reserve Company Naturkautschuk ein, da die USA einen Lieferstoff bei einem Angriff Japans in Asien befürchtete. Als dieser dann auch Eintraf, begann die USA ab 1941 15 staatlich finanzierte Fabriken für Buna-Kautschuk aufzubauen. Die Patente für Buna lagen bei der Standard Oil of New Jersey, welche sich aufgrund eines Abkommens mit der IG Farben weigerte, die Buna-Patente für den amerikanischen Markt freizugeben, worauf eine Untersuchungskommission der Firma einer "fortgesetzten Verschwörung zugunsten Deutschlands" bezichtigte und Harry S. Truman auf einer Pressekonferenz von "Verrat" sprach. Der amerikanische Kongress beschloss die Freigabe der Buna-Patente für Amerika. Im Jahr 1943 übertraf die US-Produktion von 185.175 Tonnen „Government Rubber“ erstmals die deutsche Produktion von 110.569 Tonnen und konnte bis zum Kriegsende noch auf über 730.000 Tonnen gesteigert werden.

Es gab Versuche, andere Kautschuk liefernde Pflanzen zu nutzen. Während des Russlandfeldzuges erbeutete die Wehrmacht russisches Forschungsmaterial über die Verwendung von Löwenzahn (Taraxacum kok-saghyz Rodin) zur Kautschukproduktion. Es gab deutsche Pläne 1944 auf 120.000 Hektar in Osteuropa Löwenzahn anzubauen, da dieser zwischen 6 % und 10 % Kautschuk in den Wurzeln enthielt, was wegen des Kriegsverlaufes unmöglich wurde. In der USA wurde Guayule (Parthenium argentatum) während des zweiten Weltkrieges als Ersatzpflanze untersucht. Auch hier ist Kautschuk vornehmlich in den Wurzeln konzentriert, mit einem Anteil von 7 % bis 10 %.

Synthetischer Kautschuk

Um 1860 konnte Greville Williams aus Naturkautschuk Isopren destilieren und die Summenformel C₅H₈ zu bestimmen. Damit ermöglichte er Gustave Bouchardat 1879 synthetischen Kautschuk in einem mehrere Monate dauernden Prozess erstmals herzustellen, in dem er aus Kautschuk gewonnenes Isopren mit Salzsäure zusammen erhitzte und eine gummiartige Substanz erhielt. Um 1900 stellte J. Kondakow aus Dimethylbutadien den ersten vollsynthetischen Kautschuk her und bereits 1909 konnte das erste Patent zur Herstellung von synthetischem Kautschuk an Fritz Hofmann erteilt werden. Von ihm wurden bei Bayer in Leverkusen von 1915 bis 1918 2.500 Tonnen hergestellt.

Der erste wirtschaftlich nutzbare synthetische Kautschuk war Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), ein 1929 von Walter Bock entwickeltes Emulsionspolymerisat von Butadien und Styrol. 1930 entwickelten Erich Konrad und Eduard Tschunkur Butadien-Acrylnitril-Kautschuk (NBR) und in der USA entstand bei Du Pont Chloropren-Kautschuk (CR), welches heute als Neopren verkauft wird. In der USA entstanden 1942 Siliconkautschuk und 1948 Fluorkautschuk. In den folgenden Jahren wurden immer mehr auf spezielle Bedürfnisse abgestimmte synthetische Kautschuke entwickelt.

Naturkautschuk

Der Latex fließt unmittelbar nach dem Schnitt

Die antiken Mesoamerikaner kannten die Vulkanisierung nicht, so dass sie die Umwandlung von Latex zu einem gummiartigen Material durch Zugabe von Baum- und Pflanzensäften erreichten.

Naturkautschuk kann in Brasilien weiterhin nur aufwändig als Sammlerprodukt gewonnen werden (Extraktivismus). Diese ökologisch einwandfreie, nachhaltige Bewirtschaftung bietet vielen Einheimischen eine selbständige, auskömmliche Existenz. (siehe auch: Chico Mendes)

Handelsform

Naturkautschuk kann als Flüssigkeit vertrieben werden, wodurch es später leicht Mischbar ist. Dazu wird der Baumsaft vor Ort eingedickt und mit Ammoniak stabilisiert. Wird Naturkautschuk vorvulkanisiert, bleibt es dennoch flüssig.

Naturkautschuk kann auch als festes Material verkauft werden. Dazu koaguliert man die Flüssigkeit (zur Gerinnung zu bringen). Dann wird das feuchte Material auf verschiedene Weisen gewaschen, getrocknet und in Form gebracht. Einige traditionelle Handelssorten sind: „smoked sheets“ (im Rauch getrocknet), „air dried sheets“ (rauchfrei getrocknet), „pale crepes“ (gewaschen) und „brown crepes“ (ungewaschen).

• Crepe-Kautschuk: Der Naturkautschuk wird mit Natriumsulfit koaguliert. Das Kautschuk läuft durch geriffelte Walzen und erst zuletzt folgen einige glatte Walzen.

• Sheet-Kautschuk: Der Naturkautschuk wird mit einer schwachen Ameisen- oder Essigsäure koaguliert. Anschließend wird das Kautschuk in einem Walzwerk in ein einige Millimeter dickes und etwa einen halben Meter breites glattes Band gewalzt und die letzte Walzen prägt ein charakteristisches Muster ein.

Nach dem Trennen in etwa 1 Meter lange „sheets“ oder „crepes“, werden diese getrocknet, nach Qualität sortiert und als Ballen von etwa 100 Kg verkauft.

Daneben gibt es noch Naturkautschuk, der nach national standardisierten Verfahren hergestellt wurden. Diese sind beispielsweise: Thai Tested Rubber (TTR), Standard Indonesian Rubber (SIR) oder Standard Malaysian Rubber (SMR).

Auch in Form eines Pulvers kann Naturkautschuk in den Verkauf gebracht werden

Weltproduktion

Die fünf wichtigsten Produzentenländer von Naturkautschuk sind heute Thailand, Indonesien, Malaysia, Indien und die Volksrepublik China. Daneben die größten afrikanischen Produzenten Elfenbeinküste, Nigeria und Liberia. Die Weltproduktion beläuft sich auf jährlich 7,6 Mio. t (Trockengewicht, 2003), wovon 80 % exportiert werden. Hauptabnehmer sind die USA, Japan, China, Deutschland und Frankreich.

Die größten Produzenten von Naturkautschuk

Rang	Land	Produktion (in Tsd. t)	Rang	Land	Produktion (in Tsd. t)	Acht Staaten produzieren über 88 % der weltweiten Erzeugung von Naturkautschuk
1	Thailand	3030	10	Brasilien	96
2	Indonesien	1792	11	Sri Lanka	92
3	Malaysia	1000	12	Philippinen	88
4	Indien	694	13	Guatemala	50
5	China	550	14	Kambodscha	46
6	Vietnam	391	15	Kamerun	46
7	Elfenbeinküste	123	16	Myanmar	36
8	Nigeria	112	17	Mexiko	23
9	Liberia	108

Quelle: Handelsblatt - Die Welt in Zahlen (2005)

Synthetischer Kautschuk

Hauptartikel: Synthetischer Kautschuk

Heute wird Kautschuk jedoch hauptsächlich synthetisch durch Polymerisation hergestellt. Sie entstehen meist aus Styrol und Butadien, andere Rohstoffbasen sind Styrolacrylat, Reinacrylat, Vinylacetat.

Die Polymerenketten sind üblicherweise aus Kohlenwasserstoffen aufgebaut. Ketten auf der Basis von Silikonen oder anderer Verbindungen sind ebenfalls möglich.

Weltproduktion

Gegenwärtig beträgt der Anteil des synthetischen Kautschuks am Gesamtbedarf von Kautschuk etwa 60 %. 1998 lag nach Angaben des International Institute for Synthetic Rubber Producers (IISRP) der Umsatz bei 10,4 Millionen Tonnen, wovon 70 % in die Automobilindustrie gingen. Die umsatzstärksten synthetischen Sorten sind: Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polybutadien-Kautschuk (BR) und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM). Für die Teppichindustrie bedeutsam ist Styrol-Butadien-Latex (SBL) und für Anwendungen bei Temperaturen bis zu 300°C Silikonkautschuk (SI).

Chemischer Aufbau

Naturkautschuk besteht aus polymerisiertem Isopren von extrem einheitlicher Struktur (cis-1,4-Gehalt > 99 %); sein mittleres Molekulargewicht ist außerordentlich hoch (etwa 2 Millionen).

Materialeigenschaft

Datei:Viskoelastisch.png

Viskoelastische Dehnung $\varepsilon$ von Kautschuk auf eine anliegende mechanische Spannung $\sigma$.

Die Eigenschaften von Kautschuk ändern sich durch die Vulkanisation erheblich. Ausserdem wird Kautschuk heute in der Regel als Mischung verwendet.

Unvulkanisierter Kautschuk ist viskoelastisch, das heißt, nach dem Anlegen einer äußeren Kraft dehnt sich der Werkstoff langsam bis auf seine Enddehnung und geht nach dem Abschalten der Kraft nicht vollständig in seine ursprüngliche Form zurück. Nach der Vulkanisation zeigt Kautschuk zwei wichtige Elastizitätsbereiche: Bei hohen Temperaturen ist der Werkstoff nach wie vor viskoelastisch, während er bei tiefen Temperaturen ein elastisches Verhalten zeigt. Wenn allerdings die Glasübergangstemperatur unterschritten wird, wird Kautschuk hart und spröde.

Vulkanisierter Naturkautschuk ist besonders elastisch (auch bei kalten Temperaturen) und zugfest.

Weiterverarbeitung

Der Kautschuk wird meistens ergänzt durch Füllstoffe wie Ruße, um z.B. die Abriebfestigkeit für Autoreifen zu erhöhen, Weichmacher, Faktis (vernetzte Mineral- oder Pflanzenöle mit Kautschuk ähnlichen Eigenschaften), Vernetzungschemikalien, Alterungsschutzmittel, Flammschutzmittel und Pigmente oder Farbstoffe. Weitere Zugaben sind je nach Anforderung des Endprodukts möglich.

Sowohl Naturkautschuk als auch synthetischer Kautschuk wird vulkanisiert.

Kautschuk kann zu Porengummi weiterverarbeitet werden, bei dem der elatische Schaumstoff Porenstruktur von völlig geschlossen bis völlig geöffnet haben kann.

Verwendung

Zwischen 65 % und 70 % des gesamten Kautschuks geht in die Produktion von Autoreifen.

Naturkautschuk kann als alleiniges Polymer oder in Mischungen mit Synthesekautschuken verwendet werden. Nachteilig ist, dass bei Kontakt mit Sonnenlicht bzw. mit UV-Licht oder mit Fetten sich Naturkautschuk auflösen kann.

Die Hauptanwendungsgebiete sind Binder für die Papierstreicherei, die Teppichrückenbeschichtung sowie Tauchartikel wie z.B. dünne Handschuhe.

In aufgeschäumter Form wird Latex für Matratzen und Schwämme verwendet. Auch für PET Flaschen, aber auch in sehr dünnen Filmen für Kondome, Handschuhe oder Luftballons und in dickeren Filmen für die Herstellung von Abgussformen, LKW- und PKW-Reifen, Motorlagern, sowie diversen Gummi/Metall-Verbindungen.

Kleidungsstücke und andere Artikel aus Latex, bzw. Gummi oder ähnlichen Kunststoffen reizen die Haut und andere Sinne (Geruch, Optik) auf eine besondere Art (Wärme - Kälte, Feuchtigkeit, Betonung der Körperformen) und dienen somit dem Gummifetischismus.

Siehe auch:

• Guttapercha
• Balata
• Vulkanisation

Weblinks

• ZDF-Video: Die Arbeit der Tapper auf Sumatras Kautschukplantagen
• M. Häberlein, HTML-Vorlesungsskript Kautschuktechnologie
• www.bouncing-balls.com
• Fachinformationen der Deutschen Transportversicherer zu Naturkautschuk
• Fachinformationen der Deutschen Transportversicherer zu Synthesekautschuk
• United States Synthetic Rubber Program, 1939-1945