Titel: Thomas, über die Zusammenziehung des Kautschuks in der Wärme.
Autor: Thomas, P.
Fundstelle: 1869, Band 193, Nr. XVII. (S. 77–81)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj193/ar193017

XVII. Ueber die Zusammenziehung des Kautschuks in der Wärme; von P. Thomas, Ingenieur des Hauses Aubert und Gérard in Grenelle.

Aus Les Mondes, t. XIX p. 575; April 1869.

In Tyndall's Werke über die Wärme findet sich folgende Stelle: Der Kautschuk zieht sich, entgegengesetzt allen bekannten festen Körpern, in der Wärme zusammen.“ Diese Behauptung gründet sich auf folgenden Versuch von Joule:

„Wird ein Fäden von vulcanisirtem Kautschuk, an dessen Ende ein Gewicht aufgehängt ist, erwärmt, so verkürzt er sich.“

Nun weiß aber jeder Fabrikant von Kautschukgegenständen, daß wenn man aus weichem Kautschuk ein Stück formen will, die Form um ungefähr 2 Procent größer seyn muß als der zu formende Artikel (nach der Natur des Gummi und der Zusammensetzung des Gemenges um 1,5 bis 2 Proc.); diese Schwindung hatte bisher als eine in Folge des Erkaltens von 135 auf 20° C. eingetretene Zusammenziehung gegolten; könnte sie von einer Molecularveränderung herrühren?

Ich bin seit einiger Zeit mit Versuchen über die physikalischen Eigenschaften des Kautschuks und die Wirkungen des Vulcanisirens beschäftigt, deren Resultate zur Aufklärung dieses Punktes dienen können.

Wird ein Kautschuk vom specifischen Gewichte 925 mit derjenigen Menge von Schwefel und anderen Substanzen versetzt, welche zur Fabrication des im Handel als Parafaden bekannten, durchscheinenden vulcanisirten Fadenkautschuks erforderlich ist, so erhält man ein Gemenge, dessen specifisches Gewicht im rohen Zustande – 968,90 ist. Eine im Kessel vulcanisirte Platte dieses Gemenges hat nach dem Vulcanisiren ein specifisches Gewicht von 983,5, weil es eine gewisse Menge Wasser absorbirt hat; in vollkommen trockenem Zustande dagegen von 979,70.

Ein Stück von demselben Kautschuk, in einer geschlossenen Form vulcanisirt, zeigte nach dem Vulcanisiren ein specifisches Gewicht von nur 979,50.

Die durch das Vulcanisiren hervorgebrachte Erhöhung des specifischen Gewichtes, folglich Volumverminderung, betrug somit 11,14 Promille, entsprechend einer linearen Zusammenziehung von ungefähr 4/1000 oder nahezu 1/2 Procent.

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Ein anderes in unserer Fabrik dargestelltes Gemenge, welches beim Formen gewöhnlich um 2 Proc. schwindet, zeigte vor dem Vulcanisiren das specifische Gewicht 989,9, und nach demselben 1012,2; daher Volumverminderung 22/1000; Schwindung 7/1000.

Zieht man diese Zahlen von der beim Formen dieser Gemenge beobachteten Zahl 20/1000 ab, so erhält man für das erstere derselben 16 und für das zweite 13 Promille Zusammenziehung in Folge des Erkaltens von 135 auf 20° C., somit als Ausdehnungs-Coefficient (von 0 bis 1000) 14,80 für das erste und 11,30 für das zweite Gemenge.

Diese Zahlen habe ich durch directe Versuche verificirt, soweit sich überhaupt mit einem hinsichtlich der Homogenität so wandelbaren Körper wie der Kautschuk genaue Versuche anstellen lassen.

1. Vulcanisirter Parafaden.

Ein Fäden von 0,845 Länge bei + 10° C. gemessen, auf eine mittelst Dampf auf beiläufig 120° geheizte Platte gelegt (wobei sich der Fäden wohl bis zu 110° erwärmen konnte), erhielt eine Länge von 0,860. Auf eine kalte Platte zurückgebracht, nahm er wieder seine ursprüngliche Länge von 0,845 an.

Ausdehnung von 0 bis 100°: 17,70 Promille.

2. Gewöhnliche Gemenge.

Eine Scheibe von 24 Millimet. Durchmesser bei + 10°, eine Viertelstunde lang in kochendes Wasser gelegt, hatte in heißem Zustande einen Durchmesser von 24,3.

Ausdehnung von 10 bis 100'' : 12,50 Promille.

3. Nicht vulcanisirter Kautschuk.

Eine Streifenform von 3 Meter Länge wurde mit Kautschuk gefüllt, an einem Ende geschlossen und unter die Presse gebracht; nachdem der Stempel zur gehörigen Tiefe eingedrungen und der überschüssige Kautschuk aus dem offenen Ende ausgetreten war, wurde die Form auf etwa 110'' erhitzt, wornach ein Streifen von 0,12 Met. Länge aus derselben austrat, was einer Volumvermehrung von 12/100, also 4 Proc. und einer Ausdehnung von ungefähr 13/1000 entspricht.

4. Ein interessanter Versuch, welchen Jedermann ausführen kann, ist der nachstehende:

Wirft man ein Stück Kautschuk von der Zusammensetzung des Fadenkautschuks, welches ein specifisches Gewicht von ungefähr 980 hat, in |79| kochendes Wasser (dessen specifisches Gewicht etwa = 965 ist), so fällt es natürlich auf den Boden des Gefäßes, steigt aber in kurzer Zeit, nachdem es durch die Wärme hinreichend ausgedehnt worden, wieder in die Höhe.

Aus Allem diesem ergibt sich, daß der Kautschuk, mag er vulcanisirt seyn oder nicht, sich in der Wärme keineswegs zusammenzieht, sondern sogar sein Ausdehnungscoefficient ohne Vergleich größer ist als der aller bekannten festen Körper (mit Ausnahme des Paraffins und anderer ähnlicher Kohlenwasserstoffe).

Wie läßt sich nun die von Joule beobachtete Erscheinung erklären?

Jeder Aufseher einer Kautschukfabrik weiß, daß der Kautschuk in heißem Zustande starrer oder strammer wird, d.h. daß er durch die gleiche Belastung weniger verlängert wird. Die Folgerung hieraus ergibt sich von selbst.

Ein Fäden, an welchem ich ein Gewicht von 20 Grm. aufgehängt hatte, und dem ich gestattete seine ganze Verlängerung anzunehmen (wozu stets eine gewisse Zeit erforderlich ist), hatte in diesem Zustande 96 Centim. Länge; als ich ihn dann in einem Trockenkasten auf 100° erhitzte, hob er das Gewicht um 21 Millimeter, also um fast sechs Procent seiner Länge! Diese Zusammenziehung von 6 Proc. ist keine zufällige; ich ließ denselben Fäden mit dem Gewichte an seinem einen Ende mehrmals erkalten und erhitzte ihn ebenso oft von Neuem, stets zeigte er dieselbe Länge von 0,36 im kalten, und von 0,34 im heißen Zustande.

Der zweite irrige Satz, welchen ich besprechen will, ist der folgende:

Wenn man eine Kautschukplatte auszieht (streckt), so nimmt sie an Volum zu.

Diese Behauptung rührt von Wertheim her, welcher sogar das Gesetz dieser Zunahme aufgefunden haben will; dieselbe soll nämlich für den Querschnitt der Platte eine Verminderung per Flächeneinheit von 1/3 der Verlängerung per Längeneinheit ausmachen.

Sonderbarerweise haben die Physiker, welche diesen Satz ohne Prüfung annahmen,27) nicht bedacht, daß wenn man einen Stab um das Dreifache seiner Länge verlängert, sein Querschnitt sich nach dem angegebenen Gesetze auf Nichts reduciren würde. Gerade dieses absurde Resultat veranlaßte mich, die Erscheinung näher zu untersuchen.

Zunächst wiederholte ich den angegebenen Versuch mit einem Stäbe von quadratischem Querschnitte und fand wirklich, daß der durch das |80| Product des Querschnittes mit der Länge zwischen zwei Markirstrichen gegebene Kubus mit der durch das Ausziehen bewirkten Verlängerung zunahm; da ich aber sogleich bemerkte, daß die Zusammenziehung an keinem Punkte der Länge genau gleich war, weil die beiden Seiten des quadratischen Querschnittes nicht gleich blieben, und da mit ferner bekannt war, daß wenn man einen quadratischen Kautschukstreifen von einer gewissen Stärke auszieht, die Seiten desselben hohl werden, so daß er vier gekrümmte Kanten von sehr deutlicher Concavität erhält (eine Erscheinung welche nur bei einem ziemlich großen Kautschukstücke beobachtet werden kann), so ließ ich mit zur Wiederholung des Versuches einen runden Kautschukstrang machen, welcher in Folge seiner Anfertigung aus einem einzigen Stück fast vollkommen homogen und wegen seiner Form von dem vorhin erwähnten Uebelstande frei seyn mußte.

Obgleich ich auf das Messen der Dimensionen die größte Sorgfalt verwendete, erhielt ich bei drei Versuchen die folgenden nicht übereinstimmenden Resultate:

1. Versuch. Längen 0,21 0,32 0,39 0,41
Durchmesser 0,0102 0,0082 0,0075 0,0073
Kubische Verhältnisse 21848 21568 21937 21848
2. Versuch Längen 0,288 0,365 0,460 0,600
Durchmesser 0,0101 0,009 0,0081 0,0071
Kubische Verhältnisse 2938 2956 3018 3024
3. Versuch. Längen 0,713 0,897 1,125 1,456
Durchmesser 0,0101 0,009 0,0061 0,0071
Kubische Verhältnisse 7273 7265 7381 7339

(Der dritte Versuch wurde mit denselben Verlängerungen ausgeführt wie der zweite, dieselben wurden aber zwischen zwei entfernteren Markirpunkten gemessen.)

Der gänzliche Mangel an Uebereinstimmung zwischen diesen Resultaten, namentlich zwischen denen des zweiten und dritten Versuches, ließen mich die Unmöglichkeit erkennen, durch directe Messung regelmäßige Zahlen zu erhalten; ich nahm deßhalb zu einem mathematisch genauen Verfahren meine Zuflucht, welches darin bestand, daß ich ein Stück von schlaffem und von ausgezogenem (gespanntem) Kautschuk in Wasser wog; hierbei mußte sich der geringste Unterschied durch eine leicht zu constatirende Gewichtsdifferenz zu erkennen geben.

Zunächst experimentirte ich mit einem Parafaden von 0,80 Met. Länge, welcher 1,25 Grm. wog; ich wickelte denselben schlaff um einen vollkommen polirten und mittelst Ammoniak von jeder Fettspur gereinigten Messingrahmen von 0,05 Met. Seite, und brachte das Ganze unter der Schale einer noch für 1/2 Milligrm. empfindlichen Waage in Wasser in's Gleichgewicht. Nachdem ich denselben Fäden um denselben Rahmen |81| mit Spannung (auf seine fünffache Länge gespannt) gewickelt hatte, zeigte unter denselben Umständen, sobald das Temperaturgleichgewicht hergestellt war, die Waage keinen Ausschlag; der Fäden hat folglich in den Grenzen von 1/2000 keine Volumveränderung erlitten. Um mit einem ziemlich bedeutenden Gewicht zu experimentiren, ließ ich einen Ring von 1 Centim. Dicke und 2 Cent. innerem Durchmesser anfertigen und schob denselben über eine Messingplatte von 3 zu 8 Centim. Seite, erst über den schmäleren, dann über den breiteren Theil der Platte, so daß er in letzterem Falle im Verhältnisse von 3: 8 ausgespannt war; er wog 8 Gramme. Bei diesem Versuche konnte ich ebenso wenig einen Unterschied in der Dichtigkeit des Kautschuks erkennen, als beim ersteren; wenn meine Waage nur für 1 Milligrm. empfindlich gewesen wäre, so hätte ich noch eine Volumvermehrung von 1/8000 wahrnehmen müssen.

Selbstverständlich machte ich bei den beiden in Rede stehenden Versuchen jedesmal die Gegenprobe, indem ich den Fäden schlaff um den Rahmen wickelte und den Ring über die schmale Seite der Platte schob, ohne eine Differenz in der Dichtigkeit zu finden.

Ich glaube daher zu dem Schlusse berechtigt zu seyn, daß der vulcanisirte Kautschuk durch das Ausziehen keine Volumveränderung erleidet.28)

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Er ging auch in Jamin's Traité de Physique über.

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Bekanntlich erwärmt sich ein Kautschukfaden beim raschen Ausziehen; diese Thatsache bleibt vorerst unerklärt.

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