NBR (Acrylnitril-Butadien-Kautschuk)

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05.08.2019

 

Ein großer Konsument von technischen Formteilen und anderen Gummi-Erzeugnissen ist die Kraftfahrzeug-Industrie. Die Anforderungen der Branche insbesondere im Hinblick auf die Beständigkeit gegenüber Mineralölen, Kraftstoffen und Fetten haben NBR zu einem sehr bedeutenden Werkstoff in diesem Bereich gemacht. Der in den 1930er-Jahren von Bayer entwickelte Acrylnitril-Butadien-Kautschuk – kurz: Nitrilkautschuk -  wird aufgrund seiner Eigenschaften in  verschiedenen Anwendungen verwendet und daher ausführlich in diesem Blogeintrag beschrieben.

Wie kaum ein anderer Werkstoff ist NBR in seinen Eigenschaften vom Mischungsaufbau abhängig. Der Acrylnitril-Gehalt liegt typischerweise zwischen 10 und 50 % und bestimmt stark das Verhalten von NBR-Erzeugnissen in der späteren Anwendung. Wir werden im Verlauf dieses Blogeintrags an den entsprechenden Stellen näher darauf eingehen, wie sich die Eigenschaften je nach Rezeptur der Mischung unterscheiden.

Die Vernetzung von NBR erfolgt entweder peroxidisch oder durch Schwefel.

Mechanische Eigenschaften von NBR

Die mechanischen Eigenschaften von Nitrilkautschuk können sehr ordentlich sein, hängen aber stark vom Acrylnitril-Gehalt der jeweiligen Mischung ab.

Die Qualität einiger für viele Anwendungen wichtiger mechanischer Eigenschaften wie der Druckverformungsrest oder die Dämpfung nehmen bei NBR ab, je höher der Acrylnitril-Gehalt ist. Allerdings steigt mit dem Acrylnitril-Gehalt die Beständigkeit des Werkstoffs gegenüber Ölen, Fetten und Kraftstoffen, weswegen hier häufig die richtige Balance gefunden werden muss.

Bezogen auf den Druckverformungsrest können NBR-Mischungen erstellt werden, die sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen gute Ergebnisse erzielen. Hierzu muss der Acrylnitril-Gehalt jedoch möglichst gering gehalten werden. Dies geht dann aber wiederum auf Kosten der Ölbeständigkeit. Gerade bei Dichtungen ist der Druckverformungsrest ein sehr wichtiges Auswahlkriterium. Wird eine Dichtung für eine Anwendung mit Ölbeständigkeit benötigt, steht der Konstrukteur einem Trade-Off in seiner Entscheidung gegenüber. Hilfreich kann hier der Einsatz von NBR-Mischungen sein, die mit einer peroxidischen Vernetzung aufgebaut sind. Hier ist der Druckverformungsrest besser als bei schwefelvernetztem NBR.

Generell ist festzuhalten, dass mit steigendem Acrylnitril-Gehalt mechanische Werte aber auch positiv beeinflusst werden können. So nimmt beispielsweise die Reißfestigkeit einer NBR-Mischung zu, je höher der Acrylnitril-Gehalt liegt.

Zudem weist Nitrilkautschuk eine sehr gute Beständigkeit gegenüber Abrieb auf und ist daher verglichen mit anderen Kautschuken nicht besonders anfällig in Bezug auf Verschleiß.

Der typische Härtebereich von NBR liegt zwischen 30 Shore A und 95 Shore A. 

Die Gasdurchlässigkeit von NBR ist stark abhängig von Acrylnitril-Gehalt der Mischung. Je höher der Acrylnitril-Gehalt eines NBR-Compounds ist, desto niedriger ist die Gaspermeabilität. NBR kann hier Werte erreichen, die mit denen von Butyl-Kautschuk vergleichbar sind. Gummiteile aus NBR werden daher auch gerne im Flüssiggasbereich eingesetzt. Gleichzeitig führt ein niedriger Acrylnitril-Gehalt zu einer hohen Gasdurchlässigkeit.

Thermische Eigenschaften von NBR

Produkte und Gummiformteile aus NBR können dauerhaft bei Temperaturen von bis zu 110° C eingesetzt werden. Kurzzeitig sind auch 130° C möglich. Zu beachten ist dabei allerdings, dass insbesondere die Reißfestigkeit des Werkstoffs NBR bei steigenden Temperaturen stark abnimmt.

Insbesondere in Bezug auf die Kälteflexibilität spielt bei NBR wiederrum der Acrylnitril-Gehalt eine immense Rolle. Je niedriger der Acrylnitril-Gehalt der NBR-Mischung ist, desto besser ist die Kälteflexibilität.

Somit ist die Kälteflexibilität von NBR gegenläufig zu dessen Öl-, Fett- und Kraftstoffbeständigkeit. Bei einem Acrylnitril-Gehalt von 10 % vertragen Erzeugnisse aus NBR Temperaturen von bis zu -50° C. Die Volumenzunahme bzw. Quellung von Artikeln aus Nitrilkautschuk bei Kontakt mit Öl sind in dem Fall aber extrem und die Beständigkeit somit unzureichend. Erhöht man den Acrylnitril-Gehalt auf 40 bis 50 %, um die Chemikalienbeständigkeit zu steigern, sinkt jedoch die Kältebeständigkeit von NBR auf -10° C bis 0° C. Durch speziellen Mischungsaufbau und die Zugabe von bestimmten Weichmachern kann man dieses Problem reduzieren. Jedoch hat die Beimischung von Weichmachern wiederrum Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften, die bei der Mischungserstellung berücksichtigt werden müssen und am Fertigteil getestet werden sollten.

Medienbeständigkeit von EPDM

Wie in den vorigen Abschnitten bereits angedeutet besitzt Nitrilkautschuk NBR bei entsprechendem Aufbau eine hervorragende Beständigkeit gegen Öle, Fette und Kraftstoffe. Dies hat eine große Verbreitung von Erzeugnissen aus NBR zur Folge, insbesondere im Automotive-Bereich. Die Beständigkeiten von NBR sind dabei stark abhängig vom Acrylnitril-Gehalt und sind dabei umso besser, je mehr Acrylnitril den Werkstoffen beigemischt wird (bis zu 50 %).

NBR hat dann eine sehr gute Beständigkeit gegen pflanzliche und tierische Fette und Öle. Auch Silikonöl und Silikonfett sind dabei abgedeckt. Sehr gut ist auch die Beständigkeit gegenüber verdünnten Säuren, Basen und wässrigen, nicht oxidierende Salzlösungen. Wasser stellt ebenfalls kein Problem dar.

Gleiches gilt für die Beständigkeit von NBR gegenüber Benzin, Dieselkraftstoff, Mineralöl, Mineralfett und Propan. Die Beständigkeit gegenüber aliphatischen Kohlenwasserstoffen ist generell sehr gut.

Schwächer, aber auch noch zufriedenstellend ist die Beständigkeit von NBR gegenüber Kraftstoffen, die einen hohen Aromatengehalt aufweisen (wie zum Beispiel Super-Benzin).

Keine Beständigkeit ist gegeben gegenüber chlorierten oder aromatischen Kohlenwasserstoffen wie Benzol. Auch starke Säuren, Laugen oder polare Lösemittel wie Aceton verträgt NBR nicht. Generell liegt bei Nitrilkautschuk keine Beständigkeit gegen Ketone vor.

Ebenfalls schlecht ist die Beständigkeit von NBR gegenüber Ozon, Witterung und Alterung.

Da NBR gerne im Automobilsektor und im Hydraulikbereich eingesetzt wird, soll zudem noch explizit auf die Beständigkeit von Nitrilkautschuk gegenüber schwer entflammbaren Druckflüssigkeiten eingegangen werden. Eine gute Beständigkeit hat NBR hier gegenüber der Gruppe HFC. Mittelmäßig ist die Beständigkeit gegenüber der Gruppe HFA und keine Beständigkeit liegt gegenüber schwer entflammbaren Druckflüssigkeiten vor, wenn es sich um die Gruppe HFD handelt.

Anwendungsgebiete von NBR

Die Einsatzgebiete von Nitrilkautschuk werden vor allen Dingen durch dessen Beständigkeit gegenüber  Benzin, Mineralöl und Fettenbestimmt.

Bedeutende Bereiche für Produkte aus NBR sind daher zum einen Automotive, Kraftfahrzeuge und der Maschinenbau. Hier werden beispielsweise Formteile wie Membranen, Rahmendichtungen, Profildichtungen, O-Ringe, Flanschdichtungen, Lagerungen, Walzenbezüge oder Schläuche aus NBR eingesetzt.

Aufgrund seiner Fettbeständigkeit wird NBR auch für Artikel eingesetzt, die mit Lebensmitteln in Kontakt kommen. Hierzu zählen ebenfalls verschiedene Schläuche, Dichtungen oder auch Förderbänder. Dabei gibt es spezielle NBR-Mischungen, die den Anforderungen des deutschen Bundesinstitut für gesundheitlichen Verbraucherschutz und Veterinärmedizin (BgVV) oder der amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) entsprechen. In den geltenden Vorschriften wird dabei explizit auf die einzuhaltenden Grenzen an freiem Acrylnitril-Gehalt eingegangen.

Übersicht über die Eigenschaften von NBR

Abschließend soll noch eine zusammenfassende Übersicht über die Eigenschaften von NBR (Acrylnitril-Butadien-Kautschuk) gegeben werden.

Es ist zu beachten, dass es sich hierbei lediglich um eine generelle Orientierungshilfe handelt und die Darstellung nicht für endgültige Entscheidungen herangezogen werden sollte. Durch gezielten Rezepturaufbau können die einzelnen Eigenschaften von Mischungen positiv wie negativ beeinflusst werden und so von der Darstellung abweichen.

Die Bewertung reicht dabei von ☆☆☆☆☆ (unzureichend) bis ★★★★★ (sehr gut).

 Mechanische Eigenschaften  
 Härtebereich:  30 Shore A bis 95 Shore A
 Reißfestigkeit (Zugfestigkeit):   ★★★★☆
 Reißdehnung (Bruchdehnung):                 ★★★★☆
 Weiterreißwiderstand:                  ★★★☆☆
 Druckverformungsrest bei Hitze:  ★★★☆☆
 Druckverformungsrest bei Kälte:   ★★☆☆☆
 Rückprallelastizität:  ★★☆☆☆
 Abriebwiderstand:   ★★★★☆
 Thermische Eigenschaften  
 Kälteflexibilität:                 ★★★☆☆
 Hitzebeständigkeit:  ★★☆☆☆
 (Chemische) Beständigkeit  
 Benzin:   ★★★★☆
 Mineralöl (bei 100° C):    ★★★★★
 Säuren:                  ★★★★☆
 Laugen:                 ☆☆☆☆☆
 Wasser (bei 100° C):   ★★★★☆
 Witterung und Ozon:      ★☆☆☆☆
 UV/Licht:  ★★☆☆☆

Sollten Sie weitere detaillierte Informationen zu den Eigenschaften und der chemischen Beständigkeit benötigen oder Fragen hinsichtlich einer bestimmten Anwendung haben, nehme Sie gerne jederzeit Kontakt zu uns auf.  

Wenn Sie noch Fragen zu diesem Blogpost haben oder möchten, dass demnächst ein bestimmtes Themengebiet rund um Elastomere behandelt wird, melden Sie sich gerne bei uns per E-Mail unter info@hepako.de    

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