Die Eigenschaften von Kautschuk
Kautschuke als amorphe Polymere kommen je nach ihrer Temperatur in drei verschiedenen physischen Zuständen vor: im glasähnlichen, hochelastischen und dickflüssigen Zustand.
Bei der Erhitzung des glasähnlichen Naturkautschuk wird er erstmal hochelastisch und dann dickflüssig. Diese Umwandlungen vollziehen sich nach und nach, ja nach der Temperatur, und erfolgen aufgrund der Beweglichkeit der Molekülgliede und Molekülketten.
Allerdings werden diese physische Zustände nicht als Phasenumwandlungen (im Vergleich zur Kristallisation) angesehen, da der Kautschuk in allen drei Zuständen amorph bleibt.
Der hochelastische Zustand ist durch das Vorhandensein der Schwankungen eizelner Molekülgliede gekennzeichnet. Diese Molekülgliede biegen sich und rollen sich infolge der Schwankungen zusammen. Dies ermöglicht eine der wichtigsten Eigenschaften des Kautschuks und zwar die Elastizität, d.h. die Eigenschaft, unter geringen Anstrengungen die ursprüngliche Form anzunehmen. Die max. rückgängige Verformung bei der Dehnung von Kautschuk liegt zwischen 500 – 1000%, wobei die elastische Dehnung von Festkörpern selten 1% übersteigt. Der hochelastische Zustand ist für Kautschuksorten sehr kennzeichnend.
Der glasähnliche Zustand. Bei der Kühlung kommen die Schwankungen der Molekülgliede zu Ruhe, dadurch wird der Kautschuk fest und brüchig und ist nur für wenige Verformungen fähig. Die durchschnittliche Temperatur, bei der sich die Umwandlung des Kautschuks vom glasähnlichen zum hochelastischen Zustand und umgekehrt vollzieht, nennt man die Verglasungstemperatur. Die Verglasung erfolgt auch bei teilweise kristallisierbaren Kautschuksorten (Naturkautschuk, Isopren-Kautschuk, Butadienkautschuk u.a.), wenn sie bis zur Temperatur gekühlt werden, die wesentlich niedriger als die der Kristallisation ist. Dabei sinkt das spezifische Volumen vom Kautschuk, wobei die Reduzierung des Volumens nicht sprunghaft wie bei der Kristallisation sondern gleichmäßig erfolgt.
Der dickflüssige Zustand. Bei der Erhöhung der Temperatur erhöht sich die Beweglichkeit der Molekülgliede. Im Rahmen des hochelastischen Zustandes führt die Erhöhung der Temperatur zur erhöhten Verformung unter der Einwirkung der bestimmten Belastung. Die weitere Erhöhung der Temperatur führt zu den unumkehrbaren plastischen Verformungen, die durch das Sinken der Weschelwirkungen zwischen den Molekülen verursacht werden. Der Kautschuk umwandelt dabei in den dickflüssigen Zustand. Dieser Zustand ist durch die Beweglichkeit der Molekülketten als Ganzes gekennzeichnet. Die durchschnittliche Temperatur, bei der die Umwandlung in diesen Zustand erfolgt, nennt man Fließtemperatur (Ft).
Das spezifische Volumen des Kautschuks hängt vom Tempo der Temperaturänderungen ab, bei dem sich die Kühlung vollzieht. Bei kristallisierbaren Kautschuksorten ist die Fließtemperatur niedriger als die Verglasungstemperatur (Vg.).
Die Fließ- und Verglasungstemperaturen von Kautschuksorten unterscheiden sich erheblich von den entsprechenden Kennwerten anderer Polymere. Bei Kautschuk ist die Verglasungstemperatur wesentlich niedriger als das Zimmertemperatur, beim Naturkautschuk beträgt sie ca. -72 °С, wobei die Fließtemperatur vom Naturkautschuk bei ca. 180 – 200 °С liegt. Darüber hinaus verfügen die Kautschuke über die hochelastischen Eigenschaften in der breiten Temperaturspanne.
Die Vulkanisierung von Kautschuken, die zur Bildung der selten liegenden chemischen Querbindungen führt, hat geringe Auswirkungen auf die Beweglichkeit von Molekülglieden sowie aud die Verglasungstemperatur, verhindert aber die Umwandlung das Kautschuks in den dickflüßigen Zustand. Die oft liegende Verzweigungen und Querbindungen, das Vorhandensein von Polargruppen verursachen das Sinken der Beweglichkeit von Molekülgliedern und die Erhöhung der Verglasungstemperatur. Darum hat der Naturkautschuk niedrigere Verglasungstemperatur im Vergleich zu Natrium-Butadien-Kautschuk, der verzweigerte Struktur hat. Für den Butadien-Akryl-Nitrilkautschuk, der verhältnismäßig große Anzahl von Nitrilgruppen hat, z.B. SKN-40, ist höhere Verglasungstemperatur charakteristisch und darüber hinaus niedrigere Frostbeständigkeit im Vergleich zum Kautschuk SKN-18, der kleinere Konzentration von Nitrilgruppen aufweist.