Im Rahmen der sogenannten Compoundierung setzt man Kunststoffen während ihrer Herstellung verschiedene Zusatzstoffe, sogenannte Additive, zu. Diese benötigt man, um die Materialeigenschaften des fertigen Kunststoffs auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung einzustellen. Zudem verbessern die Additive im Kunststoff mitunter die chemischen, mechanischen und/oder elektrischen Eigenschaften des betreffenden Compounds. Für diese mit Zuschlagsstoffen versehenen Formmassen gelten die Normen DIN EN ISO 1043 im Bezug auf Thermoplaste bzw. DIN 7708 im Bezug auf Duroplaste.

Wirkung der Zusatzstoffe & Additive auf den Kunststoff

Weichmacher

Rund zwei Drittel der weltweit hergestellten Zuschlagstoffe kommen bei der Herstellung von Polyvinylchlorid (PVC) zum Einsatz, während zugleich rund drei Fünftel der Additive als Weichmacher dienen. Ein solches Additiv ist dazu geeignet, die Glastemperatur sowie die Härte und Sprödigkeit eines Kunststoffs zu verringern. Insofern macht ein solcher Zusatzstoff die damit versetzen Kunststoffe besser verarbeitbar und formbar. Es ist notwendig, zu diesem Zweck Stoffe zu verwenden, die auf molekularer Ebene in den Kunststoff eindringen können. Nur so können sie die Beweglichkeit der einzelnen Molekülketten gegeneinander verbessern.

Weichmacher machen Kunststoffe also weicher. Sie können in qualitativer Hinsicht als "molekulares Schmiermittel" bezeichnet werden. Der am häufigsten verwendete Weichmacher war bis vor kurzem Diethylhexylphthalat (DEHP) (auch: Dioctylphtalat DOP). Da dieses Additiv sich jedoch als umwelt- und gesundheitsschädlich herausgestellt hat, verzichtet zumindest die europäische Industrie in den letzten Jahren weitgehend auf diesen Zusatzstoff.

Chemischer Aufbau von Phthalat

Verschiedene Stabilisatoren

Stabilisatoren werden Kunststoffen zur Verbesserung der chemischen Eigenschaften zugesetzt. Somit sind diese Additive geeignet, die Lebensdauer des betreffenden Kunststoffs zu erhöhen. Weiterhin schützen sie ihn vor diversen schädigenden Einflüssen im jeweiligen Einsatzgebiet, wie etwa Wärme durch Feuer, Strahlung und Oxidation. Zu den wichtigsten Stabilisatoren gehören:

Antioxidantien

Indem er mit dem Sauerstoff der Luft reagiert, kann sich ein Kunststoff verfärben. Zusätzlich ist es möglich, dass sich dadurch die Polyesterketten zersetzen oder ungewollt neu vernetzen. Durch Zugabe von Antioxidantien als Additiv zum Kunststoff versucht man dies zu verhindern. Sie fangen die bei der Oxidation entstehenden freien Radikale als sogenannte Radikalkettenbrecher ab. Oder sie verhindern von vornherein als Desaktivatoren die Bildung dieser Radikale. Zum Abbruch werden unter anderem Phenole und Amine zugesetzt. Als Desaktivatoren dienen zum Beispiel Phosphane und wiederum Amine.

Lichtschutzmittel

Lichtschutzmittel dienen dem Schutz des Kunststoffs vor ultraviolettem Licht. Da Doppelbindungen zwischen Kohlenstoffen in der Lage sind, dieses Lichtspektrum zu absorbieren, sind vor allem Kunststoffe durch UV-Licht gefährdet, die entsprechende Strukturelemente aufweisen. Hierzu zählt zum Beispiel Polyisopren.  Es gibt drei Möglichkeiten, die Schädigung solcher Kunststoffe durch UV-Licht zu verhindern. Durch die Reflexion des Lichts, den Zusatz von Radikalfängern oder den Zusatz von lichtabsorbierenden Stoffen. Ein wichtiges Lichtschutzmittel stellt Ruß dar, der das Licht absorbiert. σ-Hydroxybenzophenon hingegen eignet sich zur Umwandlung der Lichtenergie in Infrarotstrahlung. Dialkyldithiocarbamate schließlich absorbieren UV-Licht und fungieren zugleich als Radikalfänger.

Wärmestabilisatoren

Viele Kunststoffe zeigen Empfindlichkeit gegenüber Wärmeeinwirkung. Oberhalb der sogenannten Zersetzungstemperatur (materialcharakteristisch) erfolgt der Zerfall der molekularen Struktur des Kunststoffs. Wärmestabilisatoren setzt man ein, um dies zu verhindern. Für einige Kunststoffe sind solche Stabilisatoren, die als Zusatzstoff dem Kunststoff beigemischt werden, sogar unerlässlich. Ein gutes Beispiel ist PVC. Denn ohne den Einsatz von Wärmestabilisatoren kann es unter Wärmeeinwirkung seine mechanische Stabilität einbüßen und bildet zudem Chlorwasserstoff sowie eventuell gesundheitsgefährdende Zerfallsprodukte. Der Zerfall erfolgt dabei durch die Bildung von Doppelbindungen. Um diesen Zerfall zu unterbrechen setzt man organische Cadmium-, Zinn-, Zink- und Bariumverbindungen ein. Sie oder anorganische Bleisalze komplexieren die Doppelbindungen und unterbrechen dadurch den Zerfallsmechanismus.

Verstärkungsstoffe für Kunststoffe

Additive, welche die Kunststoffmatrix verstärken sollen, werden als Verstärkungsstoffe bezeichnet. Man spricht dabei vom "reinforcement". Solche Zusatzstoffe verbessern die mechanischen und/oder physischen Eigenschaften der betreffenden Kunststoffe. So kann zum Beispiel eine höhere Elastizität oder Biegefestigkeit erreicht werden. Beispiele für solche Verstärkungsstoffe sind zum Beispiel Flachs und Jute, aber auch Kohle- und Glasfasern. Sie werden je nach Bedarf in unterschiedlichen Längen dem Kunststoff beigemischt. Ja nach verwendetem Kunststoff und Faserlänge kommen unterschiedliche Verarbeitungsverfahren wie z.B. Spritzguss, RTM, LFI etc. zum Einsatz.

Kohlenstofffasern als Verstärkung für Kunststoffteile

Flammschutzmittel

Im Falle eines Brandes stellen Kunststoffe eine große Gefahr dar. Denn einerseits eignen sie sich dazu, den Brand zu unterhalten, andererseits besteht die Möglichkeit, das bei ihrer Verbrennung giftige und/oder ätzende Gase entstehen. Hierzu zählen zum Beispiel Blausäure, Chlorwasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und verschiedene Dioxine. Man setzt Flammschutzmittel als Additiv in Kunststoffen ein, um entweder den Sauerstoffzufluss zum Brand zu unterbinden oder um die chemischen Reaktionen (sog. Radikalkettenmechanismen) während der Verbrennung zu unterbrechen. Polycarbonaten müssen oft keine Flammschutzmittel zugesetzt werden, denn bei ihrer Verbrennung entsteht Kohlendioxid als Zerfallsprodukt. Dieses dient als Löschmittel.

Zu den wichtigsten Flammschutzmitteln gehören:

• Aluminiumhydroxid, Al(OH)3) oder (ATH): Es setzt bei der Verbrennung Wassermoleküle frei.
• Phosphorhaltige Verbindungen: Sie bilden bei der Verbrennung Phosphorsäuren, die eine Wasserabspaltung katalysieren.
• polybromierte Diphenylether (PBDEs): Sie sind in der Lage, Radikale freizusetzen. Diese fangen die Zwischenprodukte des Brennvorgangs ab.
• Blähgraphit/expandierbarer Graphit: Ein mineralisches Flammschutzmittel, das über eine starke Ausdehnung seines Volumens wirkt.

Farbmittel

Nahezu alle Polymere sind in ihrer reinen Form farblos. Erst durch den Zusatz von Farbmitteln werden sie farbig. Man kann zwischen Farbstoffen und Pigmenten als Zusatzstoff in Kunststoffen unterscheiden. Farbstoffe sind Additive, die sich auf molekularer Ebene lösen oder an der Oberfläche adsorbieren. Pigmente sind unlöslich, es handelt sich meist um anorganische Aggregate. Die Färbung von Kunststoffen erfolgt meist mit Pigmenten. Diese sind einerseits kostengünstiger und bieten andererseits eine bessere Lichtechtheit. Zu den wichtigsten Pigmenten gehören Ruß (Schwarz), Cobalt- sowie Ultramarinblau, Rutil (Weiß) und Chromoxidgrün. Metallglanz erzielt man mit Aluminium in Blättchenform als Zusatzstoff, während sphärische Pigmentkörner für eine Graufärbung sorgen.

Farbmittel als Zusatzstoff für Kunststoffe

Füllstoffe

Um Kunststoff billiger produzieren zu können, setzt man klassische Streckmittel, auch Füllstoffe genannt, hinzu. Es gibt zahlreiche aktive Füllstoffe, welche zusätzlich die mechanischen Eigenschaften der betreffenden Kunststoffe verbessern. Auch das Brandverhalten von Kunststoffen kann durch Füllstoffe vermindert werden. Zu den wichtigsten Füllstoffen gehören unter anderen Ruß, Graphit, Talkum und Stärke sowie Quarz, Zinkoxid, Glasfasern, Sand, Kreide und Kieselgur.

Weitere Additive sind:

• Treibmittel
• Gleitmittel
• Antistatika
• Schlagzähmacher