MinaStab - Minimierung des Gehalts aminischer Stabilisatoren in Elastomeren

Herausforderungen beim Einsatz von Stabilisatoren in Elastomeren und Zielsetzung

Aminische Stabilisatoren werden heute häufig als Antioxidantien und Ozonschutzmittel in Elastomeren eingesetzt. Sie schützen das Elastomer vor oxidativem Abbau bzw. dem Abbau durch Ozonolyse. Naturgemäß sind Dienkautschuke wie NBR, NR und SBR wegen ihrer Doppelbindungen oxidationsempfindlicher als gesättigte Kautschuke wie beispielsweise HNBR. Typische Stabilisatoren sind aminische Verbindungen, die von p-Phenylendiamin abgeleitet werden, wie N-Isopropyl-N′-phenyl-p-phenylendiamin (IPPD) oder N-(1,3-Dimethylbutyl)-N'-phenyl-p-phenylendiamin (6PPD). 6PPD ist ein wirksames Antioxidans und besitzt zugleich eine exzellente Wirksamkeit als Ozonschutzmittel. Die Kombination der beiden Wirkweisen ist sehr selten und erklärt den weitreichenden Einsatz von 6PPD und verwandten Strukturen in Elastomer-Mischungen. Allerdings geraten die aminischen Stabilisatoren seit 2021 zunehmend in die Diskussion, da ihr Oxidationsprodukt, ein Chinon-Derivat (6PPD-Q), ein deutlich potenteres Fischgift für manche Arten als 6PPD ist und beispielsweise aus dem Abrieb von Autoreifen stammt; ob 6PPD-Q auch ein Gesundheitsrisiko für den Menschen darstellt, muss noch untersucht werden.

In jedem Fall werden die aminischen Stabilisatoren jedoch zunehmend als kritisch gesehen zumal auch die Toxizität der aminischen Stabilisatoren selbst nicht zu vernachlässigen ist. So muss sich die Forschung darauf konzentrieren, teilweise oder vollständige Substitute zu identifizieren, die nicht über toxische Abbauprodukte verlaufen oder zumindest deren Konzentration minimieren.

Daher ist es das Ziel des hier vorgeschlagenen Verbundprojektes, am Beispiel ausgewählter Kautschukmischungen die Wirkweise alternativer Antioxidantien besser zu verstehen und die nötigen Grundlagen zur Entwicklung neuartiger stabilisierter Mischungen theoretisch und praktisch zu legen. Dabei ist das angestrebte Ziel, den Gehalt an aminischen Stabilisatoren so weit wie möglich zu reduzieren. Es soll dabei auch der Zusammenhang zwischen strukturellen Gegebenheiten und ihrer Wirkweise als Antioxidans bzw. Ozonschutzmittel möglicher Substitute untersucht werden.

Schwerpunkte & Vorgehen

Zunächst werden im Kreise der Teilnehmer die relevantesten Kautschuktypen (z.B. NR, NBR, SBR) und Vernetzungssysteme definiert. Es erfolgt eine umfassende Recherche der offenen und Patentliteratur nach möglichen berichteten Alternativen zu aminischen Antioxidantien. Der Schwerpunkt dieser Recherche liegt auf kommerziell verfügbaren Strukturen, die ggf. aus anderen Anwendungen (z.B. Thermoplasten) bekannt sind, bisher aber nicht umfänglich in Elastomeren untersucht wurden.

Basierend auf dieser Recherche werden Vorschläge zur Verringerung des Gehalts an aminischen Antioxidantien erarbeitet und diese den Teilnehmenden zur Auswahl für die folgende experimentelle Phase vorgestellt. Anschließend werden entsprechende Elastomer-Mischungen hergestellt und im Rahmen einer Ofenalterung bei zuvor definierten Bedingungen (festgelegte Temperatur und Zeit) charakterisiert (Zug-Dehnungs-Verhalten, Härte, Bestimmung der Massen- und Dimensionsänderung, ggf. DMA). In bis zu vier aufeinanderfolgenden Mischkampagnen (à 12 Mischungen) werden mögliche Zusammensetzungen im Vergleich zu ausgewählten Referenzen hergestellt und wie oben beschrieben charakterisiert. Nach jeder Misch- und Alterungskampagne werden Untersuchungen zum Verständnis der Wirkweise durchgeführt, z.B. der Oberflächenrauheit oder der alterungsbedingten Oxidation (z.B. durch IR-Spektroskopie). Von ausgewählten und vielversprechenden Mischungen (max. 12) erfolgt darüber hinaus auch eine Ozonalterung, um so eine ganzheitliche Bewertung der Wirkweisen als Antioxidans bzw. Ozonschutzmittel zu ermöglichen. Schließlich werden den Teilnehmern Handlungsempfehlungen zu möglichen Substituten, deren Bestandteilen und Gehalten, ihren Wirkweisen und möglichen Einschränkungen ausgesprochen.