Hydriertes NBR-Elastomer

Hydriertes NBR-Elastomer entsteht durch die selektive Hydrierung von Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR). Dabei werden die Doppelbindungen aus dem NBR entfernt, wodurch das Polymer gegenüber Sauerstoff resistenter wird und die Hitzebeständigkeit deutlich steigt. Im Vergleich zu NBR bietet Hydriertes NBR-Elastomer außerdem ein verbessertes Verschleißverhalten bei dynamischen Anwendungen sowie eine höhere Alterungsbeständigkeit.

HNBR ist beständig gegenüber Heißwasser und Dampf und zeigt ein gutes Hochtemperatur- und Kälteverhalten bzgl. seiner physikalischen Eigenschaften. Darüber hinaus weisen diese Mischungen eine hohe Medienbeständigkeit, Abriebbeständigkeit und gute mechanische Eigenschaften auf. 

Die Ölbeständigkeit von Hydriertem NBR-Elastomer richtet sich nach der Zusammensetzung, d.h. sie wird wesentlich durch den ACN-Gehalt bestimmt.

In der Dichtungstechnik kommt HNBR insbesondere dort zur Anwendung, wo eine gute mechanische Festigkeit und/oder eine höhere Temperaturbeständigkeit gefordert sind. Die Festigkeit von Hydriertem NBR-Elastomer ist vor allem bei Kolben- oder Stangendichtungen gefragt, aber auch bei Radialwellendichtungen, O-Ringen, Membranen oder Bälgen. Überdies ist HNBR ein bewährtes Material für Dichtungen, Zahnriemen, Hydraulikschläuche und AdBlue-Schläuche bzw. -Pumpenmembranen in der Automobilindustrie. Weitere wichtige Anwendungsfelder finden sich in der Öl- und Gasexploration, in der Nahrungsmittelindustrie und im medizinisch-pharmazeutischen Bereich.

Katalytisches Hydrieren verbessert chemische und thermische Beständigkeit von NBR

Die Grundlage für die Herstellung von Hydriertem NBR-Elastomer ist Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, ein Copolymer aus Acrylnitril (ACN) und 1,3-Butadien. Da die Doppelbindungen der Butadien-Monomer-Einheiten in der NBR-Hauptkette verbleiben, ist dieses Material anfällig für chemische Einflüsse, thermische Zersetzung und Oxidation. Dieser Nachteil lässt sich durch katalytisches Hydrieren zu HNBR beseitigen.

Hydrieren von NBR

Neben den Reaktionsbedingungen ist die Wahl des Katalysators ein entscheidender Faktor für die Hydrierreaktion. Für das quantitative Hydrieren von NBR muss der Katalysator über eine ausreichend hohe Aktivität verfügen und eine hohe Selektivität aufweisen, damit ausschließlich die olefinischen Doppelbindungen, nicht aber die Nitrilgruppen, hydriert werden. Am besten eignen sich für die NBR-Hydrierung heterogene Palladium- oder homogene Rhodium(I)-Katalysatoren.

Heterogen katalysiertes Hydrieren

Das heterogene Hydrieren von Acrylnitril-Butadien-Kautschuk erfolgt großtechnisch mit Palladium als aktivem Metall. Die komplette Hydrierung lässt sich mit 0,01 bis 1,0 Gewichtsprozent Palladium erzielen. Werden Metalle der 1. bis 6. Gruppe als Promotoren eingesetzt, beispielsweise Kalzium, Titan, Zirkonium oder Vanadium, ist eine vollständige Hydrierung auch mit einer geringeren Palladiummenge zu erreichen.

Die Umbildung zu HNBR wird üblicherweise bei einer Temperatur von 50 °C und 50 bar Wasserstoffdruck in Polymerlösungen mit 10 Gewichtsprozent Kautschuk durchgeführt. Anschließend wird der Katalysator durch Filtration oder Zentrifugation abgetrennt. Nach der Abtrennung ist er im Prinzip wieder verwendbar, wobei jedoch reduzierte Aktivitäten hinzunehmen sind.

Homogen katalysiertes Hydrieren

Großtechnische Bedeutung haben bei dieser Variante der NBR-Hydrierung nur der Wilkinson-Katalysator und der RhH(PPh3)4. Beide Katalysatoren bewirken eine quantitative Hydrierung der C=C-Doppelbindungen, ohne eine Reduktion von Nitrilgruppen herbeizuführen.

Durchgeführt wird die Reaktion in der Regel bei Temperaturen von 100 bis 150 °C und einem Druck von 30 bis 85 Bar. Im unteren Druckbereich dauert das vollständige Hydrieren über zehn Stunden. Durch Erhöhung des Drucks lässt sich die Reaktionsdauer auf wenige Stunden reduzieren. Homogene Katalysatoren sind nach der Rückgewinnung inaktiv und ohne chemische Modifikation nicht wieder verwendbar.

Eigenschaften von HNBR

Im Unterschied zu NBR weist Hydrierter NBR-Elastomer eine hohe Hitze- und Alterungsbeständigkeit auf, weshalb er häufig in der Dichtungstechnik aber auch in dynamisch anspruchsvollen Anwendung, wie Synchronriemen zu finden ist. Des weiteren ist HNBR beständig gegen Mineralöle, tierische und pflanzliche Öle und Fette, schwer entflammbare Hydraulikflüssigkeiten (HFA, HFB und HFC) und einige Kältemittel. Im Langzeitbetrieb (bis 1000 Stunden) überstehen vollhydrierte HNBR-Typen bis zu 150 °C. Teilhydriertes HNBR kann sowohl mit Schwefel und Beschleuniger wie auch mit Peroxiden, vollhydriertes HNBR jedoch nur mit Peroxiden vernetzt werden.

Hydrierter NBR-Elastomer - alle Vorteile im Überblick:

  • gute Medienbeständigkteit / Chemikalienbeständigkeit,
  • hohe mechanische und dynamische Festigkeit,
  • gut mit Heißwasser und Dampf einsetzbar,
  • Ozon- und Witterungsbeständigkeit,
  • gute Kälteflexibilität,
  • niedriger Druckverformungsrest,
  • hohe Alterungsbeständigkeit,
  • Temperaturbeständigkeit von -40 bis +150 °C.

Die Eigenschaften von HNBR, insbesondere die Ölbeständigkeit, werden durch den Acryl-Nitril-Gehalt der Vulkanisate bestimmt. Für gutes Tieftemperaturverhalten empfehlen sich HNBR-Typen mit geringerem ACN-Gehalt und speziellen Termonomeren, während sich die häufig in der Dichtungstechnik erwünschte Hochtemperatur-Beständigkeit durch Verwendung hochgesättigter HNBR-Elastomere erzielen lässt.

Hydrierter NBR-Elastomer - Verwendungsmöglichkeiten

In der Autoindustrie ist HNBR nicht zuletzt wegen seiner Alterungsbeständigkeit und dynamischer Belastbarkeit ein bewährtes Standardmaterial für Zahnriemen. Er empfiehlt sich überdies als Ausgangsstoff für eine Vielzahl von statischen und dynamischen Dichtungen und Schläuchen mit Kontakt zu Motor- und Getriebeölen wie Kühlmitteln. Häufig wird Hydrierter NBR-Elastomer auch in der Öl- und Gasexploration eingesetzt, da es sehr gut gegen Schwefelwasserstoff (H2S) und aminische Stabilisatoren beständig ist. Die beste Lösung ist HNBR außerdem für Molkereien und andere Anwendungen mit Kontakt zu sehr fetthaltigen Medien im Lebensmittelbereich.

Hydrierter NBR-Elastomer kommt in der Dichtungstechnik vor allem dort zum Einsatz, wo höhere Temperaturen und/oder eine hohe mechanische Festigkeit gefordert sind. Gerade in der Prozess- aber auch in der Lebensmittelindustrie bietet HNBR vielfältige Anwendungsfelder. Beispielsweise eignet sich Hydriertes NBR-Elastomer hervorragend als Dichtungswerkstoff für Ventilsitze oder in Espressomaschinen.

Rolf Müller
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