Hilfsstoffe in Kunststoffen und für großtechnische Verfahren

Hilfsstoffe finden wir in der Chemischen Industrie für verschiedene Anwendungen. So benötigt man einerseits unterschiedliche Hilfsstoffe, um die Materialeigenschaften von Kunststoffen zu verändern. Auf der anderen Seite sind Hilfsstoffe auch als Zusätze bei der Durchführung chemischer Reaktionen zur Herstellung diverser Produkte notwendig.
Hilfsstoffe findet man auch in Arzneimitteln.
Sie fungieren dabei als Arzneistoff-Träger, Füllstoff, Farbstoff, Konservierungsmittel, Stabilisator oder Gleit-bzw. Schmiermittel, nicht aber als Wirkstoff. Ein Arzneimittel enthält normalerweise mehrere Hilfsstoffe wie Stärke, Glycerol oder Gelatine.

1. Hilfsstoffe zur Optimierung der Werkstoffeigenschaften von Kunststoffen
Hilfsstoffe sind insbesondere Weichmacher, Stabilisatoren, Füllstoffe und andere Zusatzstoffe. Sie werden den reinen Polymermaterialien oft zugesetzt, um deren technischen Eigenschaften verbessern. Das wird hier am Beispiel von PVC erläutert.

Weichmacher

Weichmacher erniedrigen die Erweichungs- und die Einfriertemperatur von Polymeren. Typische Vertreter sind Adipinsäureester (Hexandisäureester), Sulfonsäureester, Phthalsäureester oder auch Copolymerisate wie Polybutadienacrylnitril oder Ethylenvinylacetat.

Reines PVC ist ein hartes und sprödes Material. Erst die Tatsache, dass es durch Zusatz von Weichmachern zu Werkstoffen unterschiedlichster Eigenschaften modifiziert werden kann, macht es so vielseitig. Setzt man dem harten und trüben PVC eine äquivalente Menge Dioctylphthalat zu, so kann es zu einer geschmeidigen, klaren Folie verarbeitet werden. Dies beruht darauf, dass sich die Moleküle des Weichmachers mit ihren polaren Gruppen, meist Estergruppen zwischen die Polymerketten lagern, mit diesen in Wechselwirkung treten und so deren Abstand vergrößern. Dadurch werden die zwischenmolekularen Kräfte im PVC, die durch die stark polaren Kohlenstoff-Chlor-Bindungen hervorgerufen werden, geschwächt. Das hängt damit zusammen, dass mit dem Abstand der Ketten diese natürlich kleiner werden.

Stabilisatoren

Stabilisatoren sind Alterungsschutzmittel, die strukturelle Veränderungen der Makromoleküle durch Umwelteinflüsse oder Überbeanspruchung im täglichen Gebrauch verhindern.

Ohne Zusatz von Stabilisatoren weist PVC bei Temperaturen oberhalb von 100°C Zersetzungserscheinungen auf. Unter Abspaltung von Chlorwasserstoff entstehen Ketten mit konjugierten Doppelbindungen. Dies beruht auf dem katalytischen Effekt von Eisenspuren, die z. B. durch Zusatz von 2-Phenylindol gebunden werden können. So wird die Zersetzung verhindert und das PVC thermisch stabil. Besonders wichtig sind auch sogenannte UV-Stabilisatoren. Energiereiches UV-Licht spaltet einzelne kovalente Bindungen im Polymer. Die entstehenden Radikale $R·$setzten eine das Polymer zerstörende Kettenreaktion in Gang. Sie bilden mit Luftsauerstoff Peroxylradikale $ROO·$, die ihrerseits wieder Polymerbindungen spalten. In etwa jedem 10. Reaktionsschritt ist eine C-C-Bindung aus der Kette betroffen, so dass das Polymer zerstört wird, die Stabilität des Werkstoffs geht verloren. UV-Absorber wie z. B. o-Hydroxy-benzophenon, das nach Absorption von UV-Licht extrem schnell $(<{10}^{–12}s)$ ein Proton reversibel umlagert, verhindern die Zersetzung.

Füllstoffe und andere Zusatzstoffe

Füllstoffe sind Zusätze in fester Form, die vor allem der Erhöhung der Zugfestigkeit dienen.

Eingesetzt werden u. a. Gesteinsmehle, Kaolin, Silikate, Ruß, Glasfasern aber auch Holzmehl, Papier- und Textilfasern.

Andere Zusatzstoffe dienen

• dem Flammschutz (z. B. Aluminiumoxidhydrate: wasserabspaltend; Magnesiumcarbonat: $C{O}_2–abspaltend;$ Antimontrioxide)
• der antistatischen Ausrüstung von Fußbodenbelägen, Transportbändern etc. (z. B. Paraffinsulfone)
• als Haftvermittler: für eine Metall-Elastomer Haftung (z. B. vermessingter Stahlcord in Reifen) oder für eine Kunststoff-Kunststoff Haftung (Isocyanate, Resorcin-Formaldehyd-Harze in Kombination mit aktiver Kieselsäure) oder für halogenierte Kautschuke.
• der Schimmelresistenz (Fungizide)
• als Dispergierhilfen (Stearinsäure, Paraffine)
• als Gleitmittel für glatte Extrusion und Kalandrierung (z. B. Zink- und Calciumseifen von Fettsäuren, Paraffine, Weichmacher
• der Farbgebung in Form von Pigmenten oder organischen Farbstoffen

Der Anteil der zugesetzten Modifikatoren beträgt üblicherweise:
Stabilisatoren: 1-3 %; Füllstoffe: 1-10 %; Gleitmittel: 0,1-0,5 %; Farbstoffe: 0,1-2 %; Weichmacher: bis 50 %.

Auch andere Kunststoffe wie die Polyolefine sind teilweise empfindlich gegen thermische, oxidative und UV-Belastung und müssen durch geeignete Stabilisatoren (z. B. Benzophenone für UV-Schutz, Amine gegen oxidativen Angriff und Phosphite für thermische Stabilität) ausgerüstet werden. Allerdings sind die zugesetzten Mengen von 0,1-0,3 % deutlich geringer als bei PVC.