Die Rolle von Additiven in der Kautschukverarbeitung

1. Was sind Additive?

In der Kautschukverarbeitung wird das Material nicht allein durch mechanische Verarbeitung in Form gebracht, sondern erst durch die gezielte Zugabe weiterer Stoffe zu einem anwendungsspezifischen Compound mit definierten Materialeigenschaften eingestellt. Während das Grundpolymer die Basis bildet, sorgen Zusatzstoffe dafür, dass ein Material beispielsweise besonders abriebfest, kältebeständig oder chemisch resistent wird.

Eine Dichtung in einer Hydraulikanlage stellt andere Anforderungen als eine Membran in einem medizinischen Gerät oder ein Ventil in der Luftfahrt. Hersteller von Gummiformteilen wählen anwendungsbezogen passende Füllstoffe, Weichmacher und weitere Additive. Dadurch entsteht aus dem Rohmaterial Kautschuk das gewünschte Elastomer-Compound. Der Begriff Additive umfasst daher Füllstoffe, Weichmacher und weitere Additive wie Antioxidantien, Flammschutz, UV-Stabilisatoren, Vulkanisationsbeschleuniger usw.

Die potenzielle Leistungsfähigkeit eines Elastomers hängt dementsprechend nicht allein von der chemischen Grundstruktur ab, sondern auch maßgeblich vom ausgewogenen Zusammenspiel im richtigen Additivsystem.

2. Was sind Füllstoffe in der Kautschukherstellung?

Füllstoffe beeinflussen die mechanischen, dynamischen und verarbeitungstechnischen Eigenschaften eines Elastomer-Compounds in unterschiedlichem Ausmaß. Art, Partikelgröße, Struktur und Wechselwirkung mit dem Polymer bestimmen dabei, ob primär eine Verstärkung, eine Eigenschaftsmodifikation oder eine kosten- und prozessbezogene Anpassung erzielt wird. Oft wird in Abhängigkeit von der Teilchengröße des Füllstoffes zwischen verstärkenden und nicht verstärkenden Füllstoffen unterschieden.

Verstärkende (aktive) Füllstoffe

Aktive Füllstoffe bestehen aus sehr kleinen Teilchen von ~ 10-100 nm und besitzen dadurch eine sehr große Oberfläche. Sie binden sich direkt an die Polymerkette und erhöhen die Festigkeit, den Abriebwiderstand und die Weiterreißfestigkeit des Compounds. Im Gegenzug verringern sich mit zunehmendem Füllstoffanteil auch die Elastizität und die Rückprallelastizität. Zugleich verändern aktive Füllstoffe auch die thermischen und elektrischen Eigenschaften.

  • Ruß (Carbon Black) ist der am weitesten verbreitete aktive Füllstoff und verleiht dem Compound die typische schwarze Farbe. Ruß weist wärmeleitende Eigenschaften auf, die bei höheren Füllgraden auch den Gummi-Compound zunehmend wärmeleitend machen. Zudem können über die elektrische Leitfähigkeit von Ruß leitende bzw. antistatische Bauteile produziert werden. Je nach Ruß sind auch ableitfähige ESD-Gummikomponenten möglich.
  • Kieselsäure (Silica) ermöglicht helle oder farbige Compounds und verbessert die Alterungs- und Witterungsbeständigkeit. Durch seine elektrisch isolierende Wirkung lassen sich Bauteile, die isolierend wirken, durch Zugabe von Kieselsäure herstellen. Durch seine Polarität ist dieser Füllstoff allerdings nur mit Kopplungsmitteln (z. B. Silan) in unpolaren Kautschuken zu verwenden, da er sonst zu schlechter Beständigkeit und zu Eigenschaftsverlusten führen kann.
  • Nanofüllstoffe (bspw. Carbon Nanotubes, Nano-Clays, Graphen) mit noch kleinerer Teilchengröße eröffnen zusätzliche Möglichkeiten für High-End-Anwendungen, da sie Eigenschaften wie Gasdurchlässigkeit, thermische Leitfähigkeit oder mechanische Leistungsfähigkeit beeinflussen können. 

Nicht verstärkende (inaktive) Füllstoffe

Diese Füllstoffe werden häufig zur Kostenreduktion durch Volumenerhöhung eingesetzt. Ihre Partikelgröße liegt meist im Bereich von einigen Mikrometern. Bei einer Teilchengröße von 100 – 1.000 nm spricht man von semiverstärkenden Füllstoffen. Inaktive Füllstoffe verringern die mechanischen Eigenschaften des Compounds, wenn sie in hohen Anteilen eingesetzt werden. Daher kommen sie nur in begrenztem Maße bei Hochleistungsanwendungen zum Einsatz.

Die häufigsten mineralischen Füllstoffe sind Kaolin, Kreide und Talkum. Sie dienen meist der Kostenoptimierung und beeinflussen gezielt Eigenschaften wie Härte, Maßstabilität oder Verarbeitbarkeit. Sie werden häufig in Standardanwendungen eingesetzt, bei denen das Kosten-Nutzen-Verhältnis im Vordergrund steht.

3. Wie beeinflussen Weichmacher die Gummimischung?

Weichmacher beeinflussen sowohl die Verarbeitbarkeit während der Herstellung als auch die Gebrauchseigenschaften der resultierenden Compounds. Sie erhöhen die Beweglichkeit der Polymerketten und senken die Glasübergangstemperatur, wodurch Elastomere weicher, elastischer und bei niedrigen Temperaturen flexibler werden. Im gleichen Zug verringern Weichmacher sowohl die Reißfestigkeit als auch den Druckverformungsrest. Zudem wirken sie kostensenkend auf das Compound, indem sie den Kautschukanteil reduzieren.

Wie bei Füllstoffen auch werden polare Elastomere nur mit polaren Weichmachern und umgekehrt unpolare Weichmacher nur mit unpolaren Elastomeren kombiniert. Weichmacher wirken als inneres Gleitmittel zwischen den Polymerketten, indem sie den Abstand zwischen den Ketten erhöhen und das Material flexibler und tieftemperaturstabiler machen. Bei höheren Temperaturen, falscher Auswahl oder zu hoher Dosierung können Weichmacher aus dem Material migrieren oder mit Chemikalien reagieren, was zu Stabilitätsverlust oder unerwünschten Wechselwirkungen im Einsatz führen kann – der Gummi „altert“.

Aromatische, paraffinische und naphthenische Öle zählen zu den klassischen Weichmachern und erleichtern die Elastomerverarbeitung sowie die Einstellung der Elastizität. Alternative Weichmacher, etwa biobasierte Öle oder speziell entwickelte Mischungen, gewinnen zunehmend an Bedeutung, da sie regulatorische Anforderungen erfüllen und das Risiko von Migration oder Wechselwirkungen mit Einsatzmedien reduzieren.

4. Welche weiteren Additive gibt es für Kautschukcompounds?

Neben Füllstoffen und Weichmachern gibt es eine Reihe weiterer Zusatzstoffe, die entscheidend dazu beitragen, die Kautschukverarbeitung zu steuern. Sie haben einen maßgeblichen Einfluss sowohl auf die Eigenschaften des fertigen Gummi-Produkts als auch auf den Verarbeitungsprozess.

Verarbeitungshilfsmittel 

Verarbeitungshilfsmittel sind Additive, die gezielt den Misch-, Formgebungs- und Vulkanisationsprozess von Kautschuk-Compounds unterstützen, ohne primär die Gebrauchseigenschaften des fertigen Bauteils zu bestimmen. Sie beeinflussen insbesondere Viskosität, Fließverhalten, Dispersion von Füllstoffen sowie das Formfüll- und Entformungsverhalten. Je nach Wirkmechanismus werden Fließmittel, innere Gleitmittel und Treibmittel unterschieden.

  • Fließmittel bewirken einen gezielten, meist kurzfristigen Abbau sehr hochmolekularer Polymerketten während des Mischprozesses. Dadurch sinkt die Viskosität des Kautschuks temporär, was die Einarbeitung von Füllstoffen und weiteren Additiven erleichtert und die erforderliche Weichknetzeit im Mischer reduziert. Nach dem Mischprozess verliert sich dieser Effekt weitgehend, sodass die mechanischen Eigenschaften des vulkanisierten Bauteils nicht signifikant beeinträchtigt werden.
  • Innere Gleitmittel wirken innerhalb des Compounds, indem sie die Reibung zwischen Polymermatrix und Füllstoffen reduzieren. Dadurch verbessern sie die Dispersion während des Knetprozesses und fördern ein gleichmäßiges Fließverhalten bei der Formgebung. Zusätzlich können sie das Anhaften des Kautschuks an Werkzeugoberflächen verringern und so die Entformung erleichtern. Ein zu hoher Anteil kann jedoch die Oberflächenenergie des Bauteils senken und nachfolgende Prozesse wie Verklebung oder Lackierung erschweren.
  • Treibmittel werden eingesetzt, um gezielt poröse Strukturen zu erzeugen, beispielsweise bei Moos- oder Schwammgummi. Unter den thermischen Bedingungen der Vulkanisation zersetzen sie sich und setzen gasförmige Zersetzungsprodukte – häufig Stickstoff – frei, die zur Ausbildung von Zellen im Material führen. In sehr geringen Dosierungen können Treibmittel auch zur Unterstützung der Formfüllung genutzt werden, gehen jedoch grundsätzlich mit einer Reduktion der mechanischen Festigkeit einher.

Alterungsschutzmittel

Schützen das Material vor schädigenden Einflüssen von Sauerstoff (Antioxidantien), Ozon (Antiozonantien) und UV-Strahlung. Während der Alterung bilden sich Radikale, die mit Sauerstoff Peroxid-Radikale ausbilden. Diese greifen andere Ketten an und führen so zu weiterer Alterung. Insbesondere im gedehnten Zustand entstehen feine Oberflächenrisse. Alterungsschutzmittel reagieren mit den Radikalen an der Oberfläche und binden diese dadurch. Dabei entstehen Oxidationsprodukte, die die Oberfläche zusätzlich versiegeln. Je nach eingesetztem Mittel sind diese als bräunliche Verfärbungen an der Oberfläche sichtbar und werden daher seltener in hellen oder farbigen Bauteilen verwendet. Aufgrund der geringen Anteile am Kautschuk verändern sie die Eigenschaften abseits der Alterungs- und Witterungsbeständigkeit meist nicht, können aber zu Veränderungen des Vulkanisationsprozesses führen.

Vulkanisationsmittel

Umfassen alle Chemikalien, die während der Vulkanisation zur Vernetzung der Polymerketten beitragen. Sie sind dafür verantwortlich, dass aus dem plastischen Kautschuk-Compound ein elastisches Gummibauteil entsteht. Je nach chemischer Zusammensetzung des Compounds und der späteren Anwendung des Bauteils kommen Schwefel, Peroxide, Metalloxide oder Spezialvernetzer zum Einsatz.

Schwefelvulkanisation

Schwefelvulkanisation wird eingesetzt, wenn ungesättigte Kautschuke (Doppelbindungen in der Polymerkette) wie NR, SBR, BR, NBR und EPDM (mit Dienen) verwendet werden. Durch die Hitze im Vulkanisationsprozess bilden sich Schwefelbrücken zwischen den Polymerketten aus einem oder mehreren Schwefelatomen (C-Sx-C). Diese vernetzen die Ketten und sorgen für die gummitypische Elastizität. Da Schwefel allein relativ reaktionsträge ist, werden Vulkanisationsbeschleuniger, die freie Schwefelradikale bilden und so die Vernetzung beschleunigen. Das Verhältnis von Schwefel zu Beschleuniger bestimmt, wie lange die Schwefelketten werden. Je höher der Anteil an Beschleunigern und je niedriger der Anteil an Schwefel, desto kürzer werden die Schwefelketten. Lange Schwefelketten fördern dynamische Eigenschaften und hohe Reisfestigkeiten, haben aber eine geringere Hitzebeständigkeit. Kurze Schwefelbrücken haben im Umkehrschluss eine bessere Hitze- und Alterungsbeständigkeit, aber geringere Zugfestigkeiten.

Peroxidvernetzung

Peroxidische Vernetzung kommt hauptsächlich dann zum Einsatz, wenn besonders temperaturstabile oder medienbeständige Eigenschaften erzeugt werden sollen. Dabei zerfallen Peroxide bei Temperaturen zwischen 140 und 180 °C zu freien Radikalen, die Wasserstoffatome aus den Polymerketten lösen. Diese freien Stellen können dann vernetzt werden und Kohlenstoffbrücken (C-C) bilden. Kohlenstoffbasierte Vernetzungen sind thermisch stabiler und auch alterungsbeständiger als Schwefelbrücken. Allerdings weisen diese eine geringere Zug- und Reißfestigkeit auf und neigen zu spröden Brüchen mit geringer Weiterreißfestigkeit. Die Peroxid-Vernetzung kann bei EPDM, NBR, HNBR und FKM eingesetzt werden, um erhöhte Hitzebeständigkeit zu erreichen. Silikon (VMQ) wird fast ausschließlich mit Peroxiden vernetzt, da bspw. Schwefel keine Brücken zu Si-O Bindungen erstellen kann.

Metalloxid-Vernetzung

Metalloxid-Vernetzungen werden insbesondere für halogenhaltige Kautschuke wie CR, CSM und halogenhaltige IIR-Derivate (CIIR und BIIR) eingesetzt. Zinkoxid oder Magnesiumoxid binden die entstehenden HCl-Moleküle und vernetzen die Ketten mit einer geringen Menge zugesetztem Schwefel.  

Funktionale Additive und Sonderadditive

Diese Additive dienen nicht der Verarbeitung oder Vernetzung, sondern verleihen dem vulkanisierten Bauteil zusätzliche funktionale oder regulatorische Eigenschaften, etwa in Bezug auf Optik, Brandverhalten oder Prüfbarkeit. Sie werden gezielt eingesetzt, um materialspezifische Anforderungen einzelner Anwendungen oder Normen zu erfüllen, ohne die Grundstruktur des Compounds wesentlich zu verändern.

  • Pigmente beeinflussen die optische Erscheinung und ermöglichen individuelle Farbgestaltungen. In schwarzem Gummi wird dieser Effekt meist durch den Füllstoff Ruß verursacht. Pigmente können auch funktionale Aufgaben übernehmen, etwa durch reflektierende oder lichtstabilisierende Eigenschaften. Häufig werden Pigmente in Kombination mit Alterungsschutzmitteln eingesetzt, um Abfärbungen und Migration der Partikel zu verhindern.
  • Flammschutzmittel, die auf Halogenen basieren, erzeugen im Brandfall eine schützende Schlacke, die das Bauteil schützt. Allerdings sind viele dieser Stoffe aus Umweltschutzgründen verboten. Daher werden heute vermehrt auch halogenfreie Flammschutzmittel auf Aluminiumoxid- oder Magnesiumoxidbasis verwendet, die beim Zersetzen Wasser abgeben und das Bauteil kühlen. Oft ist die Zugabe von Flammschutzmitteln notwendig, um eine UL-94-Zertifizierung zu erreichen. Halogenierte Elastomere wie CR und FKM besitzen von sich aus bereits eine höhere Flammresistenz, während ungesättigte Polymerketten (NBR, NR, SBR) oft stark brennbar sind.
  • Röntgenopake Additive werden einem Compound beigemischt, um das Bauteil unter einem Röntgengerät sichtbar zu machen. Diese werden beispielsweise für Silikonschläuche in der Medizintechnik oder auch FKM-Dichtung für die Öl- & Gasindustrie eingesetzt.

5. Welche Rolle spielen Additive in der Kautschukverarbeitung?

Die wahre Stärke von Elastomer-Compounds liegt nicht allein in den einzelnen Additiven, sondern im Zusammenspiel zwischen ihnen. Besonders deutlich wird dies bei der Wechselwirkung von Füllstoffen und Weichmachern. Beide verfolgen unterschiedliche Ziele, greifen jedoch stark ineinander und bestimmen gemeinsam, wie sich ein Compound letztlich verhält.

  • Balance zwischen Festigkeit und Flexibilität: Ein höherer Anteil an Füllstoffen steigert in der Regel die Festigkeit und Abriebresistenz, kann jedoch die Elastizität verringern. Weichmacher wirken diesem Effekt entgegen, indem sie die Beweglichkeit der Polymerketten erhöhen und damit die gewünschte Flexibilität wiederherstellen.
  • Einfluss auf die Verarbeitung: Füllstoffe erhöhen häufig die Viskosität der Mischung und erschweren damit die Verarbeitung. Durch den gezielten Einsatz von Weichmachern lässt sich dieser Effekt ausgleichen, sodass das Compound weiterhin gut formbar bleibt.
  • Langzeitverhalten: Während Füllstoffe die Alterungs- und Medienbeständigkeit verbessern können, bergen Weichmacher das Risiko von Migration oder Wechselwirkungen mit Chemikalien. Die Kunst liegt darin, beide Additivgruppen so abzustimmen, dass mechanische Stabilität und chemische Resistenz auch über lange Zeiträume hinweg erhalten bleiben.

Anhand dieser Beispiele wird klar: Die Eigenschaften eines Bauteils lassen sich nicht allein über das Grundpolymer steuern, sondern entstehen aus der abgestimmten Kombination von Füllstoffen, Weichmachern und weiteren Additiven. Entscheidend ist dabei nicht die Maximierung einzelner Effekte, sondern das bewusste Abwägen von Festigkeit, Flexibilität, Verarbeitbarkeit und Langzeitstabilität. Daher werden für Spezialanwendungen stets die exakten Einsatzbedingungen eines Bauteils benötigt, um die Gummieigenschaften gezielt zu optimieren. Spezialcompounds können daher die Eigenschaften eines Basispolymers um ein Vielfaches übersteigen. Im Umkehrschluss müssen dafür Abstriche in anderen Bereichen in Kauf genommen werden.