Elastomer: der Werkstoff für O-Ringe erklärt
Elastomere sind die gummielastischen Werkstoffe hinter nahezu jedem O-Ring. Dieser Beitrag erklärt, was ein Elastomer ausmacht, wie Vernetzung und Vulkanisation funktionieren und worin es sich von Thermoplast und Duroplast unterscheidet.
- Ein Elastomer ist ein gummielastischer Kunststoff, der sich verformen lässt und danach in seine Ausgangsform zurückkehrt.
- Grundlage dieses Verhaltens sind vernetzte Polymerketten. Die Vernetzung entsteht durch die Vulkanisation.
- Elastomere unterscheiden sich von Thermoplasten und Duroplasten durch ihre weitmaschige Vernetzung und ihr Rückstellvermögen.
- Für O-Ringe sind vor allem synthetische Elastomere wie NBR, FKM, FFKM und EPDM relevant.
- Temperatur, Chemikalien und UV-Strahlung beeinflussen die Eigenschaften, deshalb ist die Werkstoffauswahl entscheidend.
Was ist ein Elastomer?
Ein Elastomer ist ein Kunststoff, der sich unter Belastung dehnen oder zusammendrücken lässt und danach nahezu vollständig in seine Ausgangsform zurückkehrt. Umgangssprachlich heißt diese Werkstoffgruppe schlicht „Gummi". Genau dieses gummielastische Verhalten macht Elastomere zum bevorzugten Werkstoff für O-Ringe und Dichtungen.
Elastomere bestehen aus langen Polymerketten, die untereinander vernetzt sind. Wird ein Elastomer gedehnt, strecken sich die Ketten. Nach Entlastung ziehen sie sich wieder zusammen und das Bauteil nimmt seine ursprüngliche Form an. Diese Eigenschaft heißt Elastizität und unterscheidet Elastomere von vielen anderen Materialien wie Metallen oder steifen Kunststoffen.
| Begriff | Bedeutung |
|---|---|
| Elastomer | Polymerwerkstoff mit gummielastischem Verhalten, kehrt nach Verformung in die Ausgangsform zurück |
| Polymerkette | Langes Molekül aus vielen aneinandergereihten Bausteinen (Monomeren) |
| Vernetzung | Chemische Bindungen zwischen den Polymerketten, Grundlage der Rückstellkraft |
| Vulkanisation | Verfahren, das die Vernetzung erzeugt und Festigkeit sowie Wärmebeständigkeit verbessert |
Aufbau, Vernetzung und Vulkanisation
Die Flexibilität von Elastomeren ergibt sich aus ihrer chemischen Struktur. Die Polymerketten sind vernetzt, das heißt durch chemische Bindungen miteinander verbunden. Diese Vernetzung erlaubt es dem Werkstoff, sich zu dehnen und wieder zusammenzuziehen, ohne dass die Ketten dauerhaft auseinandergleiten.
Erzeugt wird die Vernetzung durch die Vulkanisation. Dabei werden durch Erhitzen chemische Bindungen zwischen den Polymerketten gebildet. Dieser Schritt verbessert sowohl die Elastizität als auch die Festigkeit und die Wärmebeständigkeit des Werkstoffs. Die Vulkanisation wurde 1839 von Charles Goodyear entwickelt und gilt als Wendepunkt in der industriellen Nutzung von Gummi.
Vom Rohstoff zum fertigen Werkstoff
Die Herstellung eines Elastomers verläuft in mehreren Phasen:
- Polymerisation: Kleine Moleküle (Monomere) werden zu langen Polymerketten verbunden.
- Mischen: Additive und Füllstoffe werden zugegeben, um die gewünschten Eigenschaften einzustellen.
- Formgebung: Die Masse wird in die gewünschte Form gebracht, etwa durch Pressen oder Extrudieren.
- Vulkanisation: Durch Erhitzen entstehen die Vernetzungen zwischen den Ketten.
Gummielastisches Verhalten
Wird ein Elastomer gedehnt, dehnen sich die Polymerketten aus. Nach dem Entfernen der Kraft kehren die Ketten in ihre ursprüngliche Position zurück. Dieses Verhalten ist die Grundlage für den Einsatz in Anwendungen, bei denen Flexibilität und Widerstandsfähigkeit gefragt sind.
- Verhalten unter Belastung: Elastomere lassen sich bis zu einem gewissen Grad dehnen, ohne beschädigt zu werden.
- Rückstellung nach Verformung: Nach Entlastung nehmen sie ihre ursprüngliche Form wieder an.
- Dämpfung: Sie nehmen Schwingungen und Stöße auf.
Umweltfaktoren und ihre Auswirkungen
Die Eigenschaften von Elastomeren werden durch die Einsatzbedingungen beeinflusst. Temperatur, Chemikalien und UV-Strahlung wirken auf Elastizität und Haltbarkeit:
- Temperatur: Starke Kälte oder Hitze verändert die Elastizität.
- Chemische Einflüsse: Manche Medien greifen den Werkstoff an und schwächen ihn.
- UV-Strahlung: Dauerhafte Bestrahlung kann zu Versprödung führen.
Deshalb ist die Auswahl des richtigen Elastomers für die jeweilige Einbausituation entscheidend. Mehr dazu im Grundwissen zu O-Ringen.
Wichtige Elastomere für O-Ringe
Man unterscheidet natürliche und synthetische Elastomere. Natürliche Elastomere wie Latex werden aus dem Saft bestimmter Pflanzen gewonnen. Synthetische Elastomere werden chemisch hergestellt und bieten meist verbesserte Eigenschaften für bestimmte Anwendungen, etwa Öl- oder Hitzebeständigkeit.
Für technische Dichtungen kommen vor allem synthetische Elastomere zum Einsatz. Die wichtigsten Werkstoffe für O-Ringe im Überblick:
| Werkstoff | Kurzcharakter |
|---|---|
| NBR | Standardwerkstoff, gut bei Mineralölen und Kraftstoffen. Siehe Werkstoffvergleich. |
| FKM | Hohe Temperatur- und Medienbeständigkeit, breites Einsatzfeld. Details unter FKM O-Ringe. |
| FFKM | Höchste chemische und thermische Beständigkeit. Mehr unter FFKM O-Ringe. |
| EPDM | Sehr gut bei Wasser, Wasserdampf und vielen polaren Medien. |
Abgrenzung zu Thermoplast und Duroplast
Elastomere sind eine von mehreren Kunststoffgruppen. Sie lassen sich durch ihr Verhalten bei Belastung und Erwärmung von Thermoplasten und Duroplasten unterscheiden.
| Gruppe | Verhalten |
|---|---|
| Elastomer | Weitmaschig vernetzt, gummielastisch, kehrt nach Verformung in die Ausgangsform zurück, nicht schmelzbar. |
| Thermoplast | Nicht vernetzt, wird bei Wärme weich und formbar, beim Abkühlen wieder fest. |
| Duroplast | Engmaschig vernetzt, hart und steif, nicht schmelzbar und nicht elastisch. |
Eine Sonderstellung nehmen die thermoplastischen Elastomere ein. Sie verbinden die einfache Verarbeitbarkeit von Thermoplasten mit dem elastischen Verhalten von Gummi und lassen sich daher schmelzen und umformen.
Häufige Fragen
Was ist ein Elastomer einfach erklärt?
Was ist der Unterschied zwischen natürlichem und synthetischem Elastomer?
Was ist die Vulkanisation?
Worin unterscheiden sich Elastomere von Thermoplasten und Duroplasten?
Wie beeinflussen Umweltfaktoren die Eigenschaften von Elastomeren?
Welche Elastomere eignen sich für O-Ringe?
Elastomer: the material for O-rings explained
Elastomers are the rubber-elastic materials behind nearly every O-ring. This article explains what defines an elastomer, how cross-linking and vulcanization work and how it differs from thermoplastics and thermosets.
- An elastomer is a rubber-elastic polymer that can be deformed and then returns to its original shape.
- This behaviour is based on cross-linked polymer chains. The cross-linking is created by vulcanization.
- Elastomers differ from thermoplastics and thermosets through their loose cross-linking and their elastic recovery.
- For O-rings, synthetic elastomers such as NBR, FKM, FFKM and EPDM are particularly relevant.
- Temperature, chemicals and UV radiation influence the properties, which is why material selection is crucial.
What is an elastomer?
An elastomer is a polymer that can be stretched or compressed under load and then returns almost completely to its original shape. Colloquially, this group of materials is simply called "rubber". It is precisely this rubber-elastic behaviour that makes elastomers the preferred material for O-rings and seals.
Elastomers consist of long polymer chains that are cross-linked with one another. When an elastomer is stretched, the chains extend. After the load is removed, they contract again and the component returns to its original shape. This property is called elasticity and distinguishes elastomers from many other materials such as metals or rigid polymers.
| Term | Meaning |
|---|---|
| Elastomer | Polymer material with rubber-elastic behaviour, returns to its original shape after deformation |
| Polymer chain | Long molecule made up of many building blocks (monomers) strung together |
| Cross-linking | Chemical bonds between the polymer chains, the basis of the restoring force |
| Vulcanization | Process that creates the cross-linking and improves strength as well as heat resistance |
Structure, cross-linking and vulcanization
The flexibility of elastomers results from their chemical structure. The polymer chains are cross-linked, that is, connected to one another by chemical bonds. This cross-linking allows the material to stretch and contract again without the chains permanently sliding apart.
The cross-linking is created by vulcanization. In this process, chemical bonds are formed between the polymer chains through heating. This step improves the elasticity as well as the strength and the heat resistance of the material. Vulcanization was developed in 1839 by Charles Goodyear and is regarded as a turning point in the industrial use of rubber.
From raw material to finished material
The manufacture of an elastomer takes place in several phases:
- Polymerization: Small molecules (monomers) are joined into long polymer chains.
- Mixing: Additives and fillers are added to set the desired properties.
- Shaping: The compound is brought into the desired shape, for example by pressing or extrusion.
- Vulcanization: Heating creates the cross-links between the chains.
Rubber-elastic behaviour
When an elastomer is stretched, the polymer chains extend. After the force is removed, the chains return to their original position. This behaviour is the basis for use in applications where flexibility and durability are required.
- Behaviour under load: Elastomers can be stretched to a certain degree without being damaged.
- Recovery after deformation: After the load is removed, they resume their original shape.
- Damping: They absorb vibrations and shocks.
Environmental factors and their effects
The properties of elastomers are influenced by the operating conditions. Temperature, chemicals and UV radiation act on elasticity and durability:
- Temperature: Strong cold or heat changes the elasticity.
- Chemical influences: Some media attack the material and weaken it.
- UV radiation: Prolonged exposure can lead to embrittlement.
That is why selecting the right elastomer for the respective installation situation is crucial. More on this in the O-ring basics.
Important elastomers for O-rings
A distinction is made between natural and synthetic elastomers. Natural elastomers such as latex are obtained from the sap of certain plants. Synthetic elastomers are produced chemically and usually offer improved properties for specific applications, such as oil or heat resistance.
For technical seals, synthetic elastomers are used above all. The most important materials for O-rings at a glance:
| Material | Brief profile |
|---|---|
| NBR | Standard material, good with mineral oils and fuels. See material comparison. |
| FKM | High temperature and media resistance, broad range of applications. Details at FKM O-rings. |
| FFKM | Highest chemical and thermal resistance. More at FFKM O-rings. |
| EPDM | Very good with water, steam and many polar media. |
Distinction from thermoplastics and thermosets
Elastomers are one of several groups of polymers. They can be distinguished from thermoplastics and thermosets by their behaviour under load and heating.
| Group | Behaviour |
|---|---|
| Elastomer | Loosely cross-linked, rubber-elastic, returns to its original shape after deformation, not meltable. |
| Thermoplastic | Not cross-linked, becomes soft and mouldable when heated, solid again on cooling. |
| Thermoset | Densely cross-linked, hard and rigid, not meltable and not elastic. |
The thermoplastic elastomers occupy a special position. They combine the easy processability of thermoplastics with the elastic behaviour of rubber and can therefore be melted and reshaped.
Frequently asked questions
What is an elastomer, simply explained?
What is the difference between natural and synthetic elastomer?
What is vulcanization?
How do elastomers differ from thermoplastics and thermosets?
How do environmental factors influence the properties of elastomers?
Which elastomers are suitable for O-rings?