Elastomere im Vergleich - Eigenschaften und Aufbau

Elastomere zählen zu den bedeutendsten Werkstoffgruppen in der Kunststofftechnik. Sie verbinden die Flexibilität von Gummi mit der technischen Leistungsfähigkeit moderner Kunststoffe. Ihre Fähigkeit, sich stark zu verformen und anschließend nahezu vollständig in die Ausgangsform zurückzukehren, macht sie zu unverzichtbaren Materialien in der modernen Industrie.

Ob in Dichtungen, Schwingungselementen, Membranen oder flexiblen Leitungen – Elastomere sichern Funktionalität, Dichtheit und Langlebigkeit in zahlreichen technischen Anwendungen. Darüber hinaus leisten sie durch ihre Beständigkeit gegen Alterung, Witterung und Chemikalien einen entscheidenden Beitrag zur Zuverlässigkeit von Maschinen und Systemen.

Was sind Elastomere?

Elastomere sind makromolekulare Werkstoffe mit einer besonderen Struktur, die ihnen ihr charakteristisches, gummiartiges Verhalten verleiht. Sie bestehen aus langen, flexiblen Polymerketten, die über punktuelle chemische Brücken – sogenannte Quervernetzungen – miteinander verbunden sind. Diese Verbindungen wirken wie winzige elastische Federn, die das Material in seine ursprüngliche Form zurückziehen, sobald die Belastung nachlässt. Dadurch lassen sich Elastomere stark dehnen oder stauchen, ohne bleibende Verformungen zu hinterlassen.

Ein wesentliches Merkmal ist ihre Fähigkeit zur reversiblen Verformung: Wird Zug oder Druck aufgebracht, ordnen sich die Molekülketten entlang der Belastung, um danach – dank der Vernetzungsstellen – wieder in ihre ungeordnete Ausgangslage zurückzukehren. Diese Eigenschaft unterscheidet sie grundlegend von spröden oder schmelzbaren Kunststoffen.

Im Gegensatz zu Thermoplasten, die bei Erwärmung schmelzen und dadurch beliebig verformt werden können, behalten Elastomere ihre Form auch bei hohen Temperaturen bis zum thermischen Abbau. Sie schmelzen also nicht, sondern zersetzen sich, wenn die Energiezufuhr zu groß wird. Damit stellen sie die dritte große Werkstoffgruppe der Kunststofftechnik dar – neben Thermoplasten und Duroplasten.

Auch ihre mechanischen Eigenschaften sind einzigartig: Elastomere sind weich, flexibel, energieabsorbierend und zeigen ein stark nichtlineares Dehnungs-Verhalten. Dadurch eignen sie sich besonders für dynamisch beanspruchte Bauteile, die Schwingungen aufnehmen oder Abdichtungen gewährleisten müssen. Ihre hohe Dämpfungsfähigkeit schützt Maschinen und Bauteile vor Vibrationen, während ihre Elastizität Materialspannungen ausgleicht.

Zusätzlich bieten viele Elastomertypen eine hervorragende chemische Resistenz gegenüber Ölen, Fetten, Witterung, Ozon und UV-Strahlung. Diese Kombination aus Elastizität und Beständigkeit macht sie zu Schlüsselmaterien in nahezu allen technischen Branchen.

Herkunft und Typen

Die Basis vieler Elastomere ist Natur- oder Synthesekautschuk. Durch Vulkanisation, also die chemische Vernetzung mit Schwefel oder anderen Reaktionspartnern, entsteht die charakteristische gummiartige Struktur. Bekannte Elastomertypen sind:

• EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk): hervorragende Witterungs- und Ozonbeständigkeit, häufig im Außenbereich verwendet.

• NBR (Nitrilkautschuk): beständig gegen Öle, Kraftstoffe und Fette, ideal für Dichtungen in Hydrauliksystemen.

• CR (Chloropren-Kautschuk, Neopren): gute Flammhemmung und Witterungsbeständigkeit.

• FKM (Fluorkautschuk, Viton): extrem temperatur- und chemikalienbeständig.

• VMQ (Silikonkautschuk): hohe Elastizität über einen sehr breiten Temperaturbereich.

Jeder dieser Werkstoffe weist eigene Schwerpunkte auf, weshalb die Auswahl des richtigen Elastomers stets anwendungsabhängig erfolgen sollte.

Aufbau und chemische Struktur

Der Aufbau von Elastomeren basiert auf einem netzartigen Molekülgerüst, das sowohl Beweglichkeit als auch Stabilität gewährleistet. Ihre Polymerketten bestehen meist aus gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoffen, deren Länge und chemische Zusammensetzung entscheidend für die Materialeigenschaften sind. Zwischen den Ketten liegen Vernetzungsstellen, die durch Schwefel, Peroxide oder Silikonbindungen entstehen. Diese fixieren das Molekülgerüst und verhindern, dass sich die Ketten dauerhaft gegeneinander verschieben.

Die Elastizität hängt stark von der Dichte dieser Vernetzungen ab: Ein niedriger Vernetzungsgrad führt zu weichen, stark dehnbaren Werkstoffen, während ein hoher Vernetzungsgrad zu steiferen, aber formstabileren Materialien führt. Darüber hinaus beeinflussen Füllstoffe (z. B. Ruß oder Silika) die Härte, Farbe, elektrische Leitfähigkeit und Abriebfestigkeit.

Chemisch betrachtet bilden Elastomere eine Zwischenform zwischen thermoplastischen Polymeren und Duroplasten. Diese einzigartige Vernetzungsstruktur ist der Schlüssel zu ihrer Formbeständigkeit – sie ermöglicht elastisches Verhalten ohne Fließen oder Schmelzen.

Molekularer Aufbau im Detail

Jede Polymerkette in einem Elastomer ist lang, flexibel und in einer zufälligen, geknäuelten Konfiguration angeordnet. Bei mechanischer Belastung, etwa durch Dehnung oder Druck, strecken sich die Ketten in Belastungsrichtung und speichern dabei potenzielle Energie. Nach Entlastung kehren sie durch thermische Bewegung in ihre ursprüngliche Konfiguration zurück – das Material gewinnt seine Form vollständig wieder.

Dieser Prozess erklärt die entropische Elastizität: Die Rückstellkraft entsteht nicht primär durch chemische Bindung, sondern durch die statistische Neigung des Molekülsystems, einen Zustand maximaler Unordnung wiederherzustellen. Dieses Verhalten ist der Grund, warum Elastomere weich, aber gleichzeitig formstabil sind.

Moderne Simulationen auf molekularer Ebene zeigen, dass selbst geringe Änderungen im Polymeraufbau – etwa in der Seitenkettenlänge oder im Vernetzungsmuster – große Auswirkungen auf Elastizität, Dauerfestigkeit und Temperaturbeständigkeit haben können. Daher sind präzise Rezepturen und kontrollierte Vernetzungsprozesse entscheidend für reproduzierbare Eigenschaften.

Eigenschaften und mechanisches Verhalten

Elastomere zeigen ein komplexes Dehnungs- und Spannungsverhalten, das zwischen Festkörper und viskoser Flüssigkeit liegt – man spricht von viskoelastischem Verhalten. Wichtige Kennwerte sind:

Elastomere reagieren empfindlich auf Umgebungseinflüsse wie Ozon, UV-Licht oder Sauerstoff, die zu Versprödung führen können. Durch gezielte Additivierung – etwa mit Ruß, Wachsen oder Stabilisatoren – lässt sich diese Alterung stark verzögern.

Unterschiede zwischen Elastomeren und Thermoplasten

Der zentrale Unterschied liegt im thermischen Verhalten. Thermoplaste können durch Wärme wieder verformt und verschmolzen werden – ein Prozess, der bei Elastomeren nicht möglich ist. Diese besitzen eine feste, dauerhafte Vernetzungsstruktur.

Durch ihre Struktur bilden Elastomere den Mittelweg zwischen weichen Thermoplasten und harten Duroplasten – flexibel, aber formstabil.

Praxisbeispiele aus der Industrie

In der Automobilindustrie sind Elastomere unverzichtbar. Sie werden in Motorlagern, Dichtungen, Reifen, Schwingungsdämpfern, Türprofilen und Schläuchen verwendet. Ihre Funktion besteht darin, Temperatur- und Vibrationsschwankungen auszugleichen, Leckagen zu verhindern und Bauteile zu entkoppeln. Ohne Elastomere wären viele Komfort- und Sicherheitsfunktionen – etwa geräuscharme Fahrkabinen oder vibrationsfreie Lenkung – nicht realisierbar.

Im Maschinen- und Anlagenbau sorgen Elastomere für eine zuverlässige Energie- und Kraftübertragung, z. B. in Kupplungen, Riemenantrieben oder Lagerungen. Ihre hohe Dämpfungsfähigkeit schützt empfindliche Komponenten, verlängert die Lebensdauer und reduziert den Wartungsaufwand.

In der Elektrotechnik dienen Elastomere als Isoliermaterialien und Gehäusedichtungen. Besonders Silikon und EPDM werden aufgrund ihrer hohen Temperatur- und Alterungsbeständigkeit in Steckverbindern, Dichtkappen und Hochspannungskomponenten eingesetzt.

In der Medizintechnik sind Silikone aufgrund ihrer Biokompatibilität und physiologischen Unbedenklichkeit weit verbreitet. Sie werden in Kathetern, Beatmungsschläuchen, Membranen und Ventilen verwendet. Ihre chemische Stabilität gewährleistet, dass keine unerwünschten Reaktionen mit Medikamenten oder Körperflüssigkeiten auftreten.

Auch im Bausektor spielen Elastomere eine tragende Rolle: Fugenprofile, Dachbahnen und Membranen aus EPDM oder CR schützen Bauwerke dauerhaft vor Feuchtigkeit, UV-Strahlung und Temperaturwechseln.

Industrielle Verarbeitung und Qualitätsnormen

Die industrielle Verarbeitung von Elastomeren erfordert präzise Prozesssteuerung. Typische Verfahren sind Pressvulkanisation, Spritzgießen, Extrusion und Kalandertechnik. Dabei wird die Temperatur meist zwischen 150 und 200 °C geregelt, um eine vollständige Vulkanisation sicherzustellen. Die Vernetzungszeit variiert je nach Elastomertyp, Bauteildicke und eingesetztem Katalysator.

Für die Qualitätssicherung sind DIN- und ISO-Normen von zentraler Bedeutung, beispielsweise:

• DIN ISO 37 – Zugversuch für Elastomere (Bestimmung der Zugfestigkeit und Bruchdehnung)

• DIN ISO 48-4 – Härteprüfung (Shore A und IRHD)

• DIN ISO 815 – Bestimmung des Druckverformungsrests

• DIN ISO 34-1 – Reißfestigkeit von Elastomeren

• DIN EN ISO 1817 – Beständigkeit gegen Flüssigkeiten

Diese Normen gewährleisten gleichbleibende Materialqualität und Vergleichbarkeit zwischen Herstellern. Ergänzend werden spezielle Prüfungen zur Alterungsbeständigkeit, chemischen Resistenz oder thermischen Stabilität durchgeführt, um die Eignung des Werkstoffs für den jeweiligen Einsatz sicherzustellen.

Zukunftsperspektiven: Intelligente Elastomere

Die Forschung liefert bereits beeindruckende Beispiele für die praktische Anwendung sogenannter Smart Elastomers. Ein besonders dynamisches Feld ist die Softrobotik, wo elektroaktive Polymere als künstliche Muskeln dienen, die sich bei elektrischer Spannung bewegen oder biegen. Dadurch entstehen flexible, feinfühlige Bewegungen – ideal für medizinische Greifarme oder adaptive Fertigungssysteme.

Ebenso arbeiten Industriepartner an adaptiven Dichtsystemen, die auf Druck- oder Temperaturänderungen reagieren. Solche Elastomere passen ihre Form oder Härte automatisch an, um Leckagen zu verhindern und die Effizienz zu steigern. Diese Entwicklungen zeigen, dass intelligente Elastomere nicht nur theoretische Konzepte sind, sondern bereits in Forschung und Industrie erprobt werden.

Die Werkstoffforschung entwickelt derzeit intelligente Elastomere, die auf äußere Reize reagieren können – sogenannte Smart Materials. Diese Materialien verändern ihre Form, Härte oder Leitfähigkeit in Abhängigkeit von Temperatur, Licht, Magnetfeldern oder elektrischer Spannung. Beispiele sind elektroaktive Polymere, die sich als künstliche Muskeln oder Aktoren in Robotiksystemen bewegen können.

Ein weiterer Ansatz sind selbstheilende Elastomere, die bei mechanischer Beschädigung durch reversible chemische Bindungen ihre Struktur selbstständig reparieren. Solche Systeme könnten in der Luftfahrt, in Dichtsystemen oder in sicherheitskritischen Anwendungen die Lebensdauer von Bauteilen drastisch erhöhen.

Auch im Bereich Nachhaltigkeit von Technischen Kunststoffen eröffnen smarte Elastomere neue Möglichkeiten: Sie können Alterungseffekte selbst erkennen, Sensorfunktionen übernehmen oder ihren Zustand digital kommunizieren – ein wichtiger Schritt in Richtung vorausschauender Wartung und Industrie 4.0.

Elastomere als Schlüsselmaterial der Zukunft

Elastomere vereinen eine einzigartige Kombination aus Elastizität, chemischer Beständigkeit und Formstabilität. Ihre molekulare Vernetzung macht sie zu robusten, dennoch flexiblen Werkstoffen, die in nahezu allen technischen Branchen unverzichtbar sind. Der Unterschied zu Thermoplasten liegt in der irreversiblen Vernetzung, die ihre Form auch unter hohen Temperaturen stabil hält.

Mit neuen Technologien, etwa intelligenten und recycelbaren Elastomersystemen, wird ihre Bedeutung in der Industrie weiter wachsen. Künftig werden Elastomere nicht nur dämpfen oder abdichten, sondern auch aktiv reagieren, Energie speichern und Informationen verarbeiten. Damit entwickeln sie sich vom klassischen Dichtungswerkstoff zum multifunktionalen Hightech-Material, das die Brücke zwischen Mechanik, Elektronik und Nachhaltigkeit schlägt.

FAQ

Was sind typische Elastomere?
EPDM, NBR, CR, FKM, Silikon und Naturkautschuk zählen zu den wichtigsten Vertretern.

Wie unterscheiden sich Elastomere von Thermoplasten?
Elastomere sind chemisch vernetzt und nicht schmelzbar, während Thermoplaste schmelzbar und mehrfach verformbar sind.

Welche Vorteile haben Elastomere in der Industrie?
Sie dämpfen Schwingungen, kompensieren Toleranzen, sind alterungsbeständig und behalten ihre Form auch bei wechselnden Temperaturen.

Sind Elastomere recyclebar?
Nur eingeschränkt – allerdings ermöglichen Devulkanisation und TPE-Neuentwicklungen heute zunehmend Recyclingmöglichkeiten.

Was sind thermoplastische Elastomere (TPE)?
Eine moderne Hybridklasse, die Elastizität mit thermoplastischer Verarbeitbarkeit verbindet – ideal für effiziente, nachhaltige Serienfertigung.