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Wer im Frühjahr dieses Jahres seinen Wagen volltanken musste, brauchte eine dicke Brieftasche: Fahrer größerer Automobile mussten erstmals über 100 Euro für eine Tankfüllung ausgeben. Die Spritpreis-Diskussion machte auch breiteren Bevölkerungsschichten klar: Mobilität ist nicht selbstverständlich.
Dies gilt natürlich erst recht im Blick auf die Klimaproblematik, denn die Nutzung fossiler Treibstoffe für den Betrieb von Verbrennungsmotoren ist untrennbar mit einer negativen CO2-Bilanz verbunden. In Europa hat man bereits reagiert: Laut EU-Klimaschutzpaket darf der durchschnittliche Kohlendioxid-Ausstoß der Neuwagen-Flotte eines hiesigen Herstellers 120 g/km nicht mehr überschreiten (noch 2008 waren es rund 165 g/km); ab 2020 liegt die Obergrenze bei 95 g/km.

Mit der Werkstoff-Diät zu mehr Reichweite bei Automobilen

Weltweit sind rund 800 Mio. Pkw und Lkw unterwegs, bis 2035 könnten es Experten zufolge bereits zwei Milliarden sein – und nur ein Bruchteil davon dürfte mit Blick auf europäische Abgasnormen konstruiert werden. Gleichzeitig wird erwartet, dass 2025 bereits zehn Prozent aller Neufahrzeuge ausschließlich über Elektromotoren angetrieben, in weiteren 40 Prozent dürfte ein Hybridkonzepte eingebaut werden.

Für die Entwicklung dieser verschiedenen Konzepte sind Leichtbaulösungen mit Hochleistungskunststoffen und Synthesekautschuken unverzichtbar. Gleichzeitig liegt auf der Hand, dass Leichtbaukonzepte, die sich in Elektro-Fahrzeugen bewähren, auch in koventionellen Verbrenner-Motoren von Vorteil sind. Einer Faustregel zufolge sparen 100 Kilogramm weniger Gewicht an der Zapfsäule etwa einen halben Liter Treibstoff. Die Gewichtsreduktion lässt sich beispielsweise durch Faserverbundwerkstoffe erreichen. Es geht jedoch noch leichter, wie das Beispiel eines Airbag-Gehäuses zeigt, das der Lanxess gemeinsam mit Takata-Petri, Aschaffenburg, KraussMaffei Technologies, München, Bond-Laminates, Brilon und Christian Karl Siebenwurst, Dietfurt konzipiert hat.

Derartige Gehäuse wurden bisher hauptsächlich aus Stahl, Aluminium oder im Spritzgussverfahren aus Thermoplasten gefertigt. Mit Hilfe eines Organo-Blechs ist das Bauteil noch einmal über 30 Prozent leichter als die spritzgegossene Variante aus Polyamid?6. Das Geheimnis des Organo-Blech-Konzepts: Endlosglasfasern, die dem Kunststoff enorme Festigkeiten verleihen. Langglasfaser-Polymid-Verbunde verhalten sich in vielerlei Hinsicht fast wie Bleche, sind aber sehr viel leichter. Auch stabile Bremspedale lassen sich damit fertigen.

Tankdichtungen für Erdgas-Fahrzeuge

Auch wenn der Leichtbau die Entwicklungsarbeiten an nachhaltigen Automobilen derzeit zu dominieren scheint, werden andere Ansätze natürlich weiter verfolgt – zum Beispiel der Einsatz alternativer Treibstoffe. Solche Medien erfordern chemikalienresistente High-Performance-Werkstoffe. Ein Beispiel sind Tankdichtungen von Erdgas-Automobilen. Deren Ventile kühlen bei der Betankung aus physikalischen Gründen stark ab. Dichtungen aus gewöhnlichen, Erdgas-kompatiblen Gummiwerkstoffen ziehen sich dabei zusammen, verhärten und halten nicht mehr dicht. Ein Weg zur Lösung dieses Problems kann der Einsatz von Spezialelastomeren wie des HNBR-Kautschuks Therban sein: Spezielle Tieftemperaturvarianten dieses Synthesekautschuks bringen nicht nur eine gute Beständigkeit gegenüber unpolaren Medien mit, sondern zeichnen sich zudem durch eine gute Flexibilität bei -40 °C aus.

E10-Sprit und AdBlu-Lösungen:
Herausforderung für Synthesekautschuk und Polyamide

Neue HNBR-Typen mit einem besonders hohen Gehalt polarer Acrylnitril-Bausteine überstehen sogar den Dauereinsatz im Zusammenspiel mit Biodiesel und „Superethanol“ (Flexfuel). Ein neues, vollhydriertes Ultra High ACN-Therban zeichnet bessere Alterungseigenschaften aus und ist aufgrund seiner niedrigen Viskosität besonders leicht zu verarbeiten.
Eine verwandte Problematik sind mögliche Unverträglichkeiten zwischen polymeren Werkstoffen und AdBlu-Lösungen, die zur katalytischen Abgas-Entstickung eingesetzt werden. Diese Harnstoff-haltigen Flüssigkeiten können „klassischen“ (Synthese-) Kautschuken schaden. Für solche Anwendungen eignet sich Keltan- (EPDM) sowie vollhydrierte und alterungsbeständige Therban-Typen (HNBR). Der Werkstoff lässt sich gut verarbeiten und zeigte im Labor eine gute AdBlu-Verträglichkeit.
Auch auf Polyamide wirkt der Kontakt mit AdBlu-Lösungen schädlich. Durethan AKV 35 H3.0 wurde darum konkret auf die Einsatzfähigkeit in diesem Umfeld geprüft. Selbst nach 28 Tagen Lagerung in 60 °C heißer AdBlue-Lösung veränderte sich dieser Konstruktionswerkstoff lediglich innerhalb der erlaubten, engen Grenzen der Liefervorschrift eines großen Automobil-OEMs; weder Zugmodul noch Zugfestigkeit, Bruchdehnung oder Schlagzähigkeit wurden maßgeblich beeinträchtigt.

Elektrische Antriebe steigern die Anforderungen und Nachfrage nach Synthesekautschuken

Neben einem möglichst geringen Gewicht stellen Elektrofahrzeuge weitere Anforderungen an Werkstoffe. Die elektrischen Einrichtungen, insbesondere Kabelstecker und die Batterie können sich beim Ladevorgang stark erhitzen. Daher wird erwartet, dass vermehrt Synthesekautschuke eingesetzt werden, die sich durch eine höhere Langzeitbeständigkeit unter hohen Arbeitstemperaturen auszeichnen.
Eine weitere Herausforderung ist die hohe Empfindlichkeit vieler „klassischer“ Gummirohstoffe gegenüber Ozon, das in Gegenwart elektrisch betriebener Aggregate entstehen kann. Hier können zum Beispiel gesättigte Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuke (EPDM) ein Alternative sein. Diese Gummirohstoffe der Marke Keltan zeichnet eine gute Hitze- und Ozonbeständigkeit aufgrund ihres vollständig gesättigten Polymergerüsts aus. Unter der Bezeichnung Keltan Eco bietet der Hersteller eine EPDM-Variante, deren Ethylen-Komponente aus Zuckerrohr gewonnen wird und damit einen nachhaltigen Produktionsweg durchläuft.
Andere Kautschuksorten, die ähnlich speziellen Ansprüchen gewachsen sind, sich aber durch andere Einsatzschwerpunkte auszeichnen, sind chemisch und thermisch beständige Fluorelastomere wie zum Beispiel Levatherm F, oder auch HNBR-Elastomere wie Therban. Letztere können unter anderem in dynamisch hochbelaste-ten, langlebigen (Zahn-)Riemen Einsatz finden. Der Kautschuk toleriert Dauereinsatztemperaturen von bis zu 160 °C.
Und nicht nur in der Konstruktion der elektrischen Antriebe, sondern auch im Kern der Technik können Spezial-Kunststoffe den Wirkungsgrad erhöhen. So kann der Zusatz des Kautschuks Nanopren in einer Brennstoffzelle die Protonenleitung durch die entscheidende Membran der Zelle steigern und damit die Leistungsfähigkeit dieser Aggregate deutlich erhöhen.

Rollwiderstand senken und Nutzungsdauer verlängern

Eine für den Autofahrer besonders lohnenwerte Form des Klimaschutzes sind treibstsoffsparende Reifen – Ihre Eigenschaften können sich unmittelbar an der Zapfsäule auszahlen. Im Schnitt sind 20 bis 30 Prozent des Kraftstoff-Verbrauchs eines Autos auf den Rollwiderstand der Reifen zurückzuführen. Zum einen wegen eines zu niedrigem Fülldrucks: Hier sind Butylkautschuke von Lanxess hilfreich, die dazu beitragen, den Reifendruck länger konstant zu halten. Neue Butylkautschuk-Typen lassen sich über einen höheren Isoprengehalt besser vulkanisieren als bisherige Varianten. Aber selbst Reifen mit einem perfekten Reifendruck lassen sich weiter optimieren. Durch den Einsatz moderner Synthesekauscthuke wie etwa Neodymium-Polybutadien-Kautschuken (Nd-BR) sowie durch neue modifizierte Solution Styrol-Butadien-Kautschuke (SSBR) lässt sich der Rollwiderstand weiter senken.
Die Gründe für die energiesparende Wirkung dieser Reifenkautschuke sind komplex. Einer von vielen ist die Reduktion der Anzahl sogenannter „loser Enden“ im Gummi. Darunter versteht man endständige Abschnitte von Kautschuk-Kettenmolekülen, die im Gummi ähnlich wie gerissene Expanderschnüre nicht zur Kraftübertragung beitragen. Diese müssen trotzdem mitbewegt werden und verringern damit die Energieausbeute. Gummi-Compounds aus modernen Nd-BR-Kautschuken enthalten nur sehr wenige „lose Enden“ und steigern so den Wirkungsgrad des mobilen Systems.

Neues Label für Reifen

Modifizierte SSBR-Kautschuke verdanken ihren Energiespar-Effekt einer anderen Eigenschaft: Sie können die harten Silica-Füllstoffteilchen, die dem Reifengummi ihre Stabilität verleihen, besser als bisher in die Gummimatrix einbinden. Dadurch verringert sich die innere Reibung, was auch den Energieverlust reduziert. Reifen-Experten sind zudem der Ansicht, dass Pneus aus den genannten Werkstoffen nicht nur gute Rollwiderstandswerte aufweisen können, sondern zugleich eine gute Straßenhaftung mitbringen. Außerdfem weisen sie gute Abriebwerten au. Bislang galt es in der Gummi-Anwendungstechnik als schwierig, alle drei Eigenschaften eines Reifens, Haftung, Rollwiderstand und Abrieb, gleichzeitig zu optimieren. Auch andere aktuelle F&E-Schwerpunkte bei Lanxess, etwa die gezielte Variation der Mikrostruktur von Styrol-Polybutadien-Reifenkautschuken durch neue Katalysatoren und eine weiter verfeinerte Verfahrenstechnik werden sich auf den Rollwiderstand neuer Hochleistungsreifen auswirken und dazu beitragen, die Reichweite von Automobilen zu erhöhen. Ab Ende 2012 werden Reifen mit einem Label versehen, auf dem der Energieverbrauch gelistet wird.
Abfall vermeiden
Zum ressourcenschonenden Produkt gehört auch eine möglichst lange Nutzungsdauer. Reifen sollten daher möglichst abriebarm sein. Das steigert die Nutzungsdauer und reduziert die Feinstaub-Belastung in den Städten. Robuste Nd-BR-Kautschuke in der Reifen-Seitenwand, die sich an Bordsteinkanten weniger abreiben, steigern daher nicht nur die Sicherheit, sondern auch die Kilometerleistung. Unter der Motorhaube können langlebigere Kautschuke helfen, einem frühen Verschleiß entgegenzuwirken: EVM-Kautschuke wie Levapren überstehen dauerhaft Einsatztemperaturen von mehr als
170 °C, über kürzere Zeiträume sogar über 200 °C. Auch dynamisch hoch belastbare HNBR-Kautschuke halten unter Hitze deutlich länger als „klassische“ Nitrilkautschuke. Abfall wird auch vermieden, wenn es gelingt, die Nutzungsdauer der sogenannten Bladder in der Reifenfertigung zu erhöhen. Rhein Chemie ist dies durch zielgerichtet eingesetztes Gummi- und Fertigungs-Know-how gelungen. Ein innovatives Entlüftungs-System soll zudem den Ausschuss bei der Fertigung minimieren helfen.

Neue Mobilitätskonzepte

Sicher werden weiter steigende Treibstroffpreise und das wachsende Umweltbewusstsein auch das Mobilitäts-Verhalten der Menschen ändern, ob moderne Car-Sharing-Konzepte oder der Ausbau des öffentlichen Nahverkehrs. Wenn sich mehrere Personen ein Fahrzeug teilen, sind zum Beispiel robuste Sitzbezüge gefragt. Mit Polymerchemie und Fortschritten in der Zurichtung wird die Lebensdauer des natürlichen Werkstoff Leder erhöht. Zudem sind behandelte helle Leder heute leichter zu reinigen.
Ein anderes Feld ist der Flammschutz in der Antriebstechnik. Nicht nur in Elektrofahrzeugen, sondern beispielsweise auch in U-Bahnen müssen Maßnahmen gegen die Folgen von Kurzschlüssen ergriffen werden. Hierfür lässt sich das halogenfreie und mit anorganischen Flammschutzmitteln hoch füllbare Ethylen-Vinylacetat-Copolymer Levapren einsetzen. Levapren ist bereits Hauptbestandteil einiger Werkstoffe für Kabelmäntel. Viele davon erfüllen die strengen Anforderungen der Brandschutznormen, wie sie zum Beispiel im Bahnverkehr gelten. Der Werkstoff verbrennt raucharm und sorgt dafür, dass im Schadensfall wichtige elektrische Geräte länger in Betrieb sowie Fluchtwege länger sichtbar bleiben.
Es zeigt sich, dass hochwertige Rohstoffe einen umfangreichen Beitrag zum Umweltschutz und zum überlegten Umgang mit Ressourcen leisten können. Beim Kernthema Mobilität liefern neue Werkstoffe Ansatzpunkte auf allen Ebenen, um ressourcenschonend wie nachhaltig zu produzieren und mobil zu sein.

NEUE TECHNOLOGIE – Bauteil-Simulation mit dem Rohstofflieferanten

Automobil-OEM greifen gezielt auf die Expertise der Rohstoffhersteller zurück. Alle Prozessschritte der Fertigung von Organoblech-Hybridbauteilen lassen sich im Prüflabor in Dormagen präzise simulieren; im Lanxess-Materialmodell können zum Beispiel die lokal unterschiedlichen Faser-Orientierungen von verformten Organoblech sichtbar gemacht und etwa auf den Crashfall hin optimiert werden. Dieses Know-how wurde unter der Marke HiAnt gebündelt, in der die Business Unit High Performance Materials (früher Semi-Crystalline Products) ihre Expertise in Sachen Materialien, Konstruktion, Simulations-, Verfahrens- und Prozesstechnik zusammenfasst.

 

DKT 2012, Stand 12-203

Über den Autor

Udo Erbstößer