Kratzfest und kostengünstig

Der Autokauf ist eine hoch emotionale Angelegenheit. Der erste Blick des Käufers gilt einem attraktiven Außendesign, der zweite dann schon dem Fahrzeug­Innenraum. Menschen verbringen heute viele Stunden im Auto – entsprechend wohnlich soll das Interieur sein und beim Sehen und Anfassen einen hochwertigen Eindruck erwecken. Bei Autos der oberen Mittel- und Oberklasse erreichen die Hersteller die vom Kunden gewünschte optische und haptische Qualität durch aufwändig geschäumte und veredelte Kunststoffe oder durch teure Werkstoffe wie Leder und Wurzelholz.

Je weiter es in der Modellhierarchie aber nach unten geht, desto preissensibler werden die potenziellen Käufer. Zudem zählt der Innenraum zu den wenigen Bereichen eines Autos, wo die Hersteller sparen können, ohne Abstriche an der Funktionalität oder Sicherheit zu machen. Für die Innenraumverkleidungen von Kompakt- und Kleinwagen werden deshalb viele Bauteile aus Materialien verwendet, die deutlich weniger aufwendig herzustellen sind – etwa aus talkgefülltem Polypropylen, dem preiswertesten Kunststoff, der auch für Interieur-Anwendungen geeignet ist. Bauteile aus diesem Plastikmaterial sind aber kratzempfindlich und können im Gebrauch schnell unansehnlich werden. Daher suchen die Autohersteller kostengünstige Wege, den Polypropylen-Teilen eine dauerhaft schöne und hochwertig aussehende Oberfläche zu geben.

Matt und ohne Reflexionen

Interieur-Kunststoffbauteile aus talkgefülltem Polypropylen sind vergleichsweise hart. Ihre Oberfläche sieht matt aus. Typische Beispiele sind der untere Teil des Armaturenbretts, die Abdeckung des Handschuhfachs, die Türverkleidungen unterhalb des Griffs, die Säulenverkleidungen und das Gehäuse der Mittelkonsole. Ihre Oberfläche ist aus mehreren Gründen mattiert. Matte Kunststoffoberflächen fühlen sich samtig an, sehen gut aus und vermeiden Lichtreflexionen, die den Fahrer irritieren oder blenden könnten. Aber je matter eine solche Oberfläche ist, desto größer ist ihre Kratz- und Abriebempfindlichkeit. So hinterlässt der scharfkantige Zündschlüssel schnell helle Kratzer, wenn er über ein Polypropylen-Armaturenbrett schrammt. Auch ein stumpfer Gegenstand kann Spuren hinterlassen: Fährt man mit dem Fingernagel über die matte Kunststoffoberfläche, erzeugt man einen glänzenden Streifen – der Nagel poliert die Oberfläche, Fachleute sprechen vom Schreibeffekt. Scheuert man beim Ein- und Aussteigen mit dem Knie immer wieder über die gleiche Stelle der Türverkleidung, entstehen Reibspuren – die Oberfläche sieht an der betreffenden Stelle abgewetzt aus.

Dem Kunststoffverarbeiter stehen viele Methoden zur Verfügung, mit denen er dem preiswerten Kunststoff dauerhaft einen wertigen Eindruck verleihen kann. Er kann zum Beispiel das harte Material hinterschäumen, mit einem thermoplastischen Elastomer beschichten, lackieren oder mit Heißprägefolien veredeln. All diese Verfahren verteuern jedoch die Bauteile spürbar.

Geringe Oberflächenreibung

Einfacher und billiger ist es, wenn der Compoundierer die Oberflächeneigenschaften des Kunststoffs mithilfe eines Zusatzstoffs modifiziert. Solche Additive verbessern die Kratz- und Abriebfestigkeit eines Kunststoffs, indem sie dessen Oberflächenreibung herabsetzen. Bei geringerer Oberflächenreibung rutschen Gegenstände leichter über die Kunststoffoberfläche, wodurch sie weniger sichtbare Spuren hinterlassen. Herkömmliche Additive haben jedoch erhebliche Schwächen und Nebenwirkungen, die gerade in der Automobilbranche immer weniger toleriert werden. Organische Gleitmittel etwa riechen unangenehm und wandern im Laufe der Zeit aus dem Kunststoff heraus. Sie schlagen sich auf der Innenseite der Windschutzscheibe als schmieriger Film nieder – ein Phänomen, das in der Industrie unter der Bezeichnung Fogging bekannt ist. Das aus der Kunststoffoberfläche tretende Gleitmittel ergibt zudem einen unangenehmen haptischen Eindruck, den es zu vermeiden gilt.

Masterbatch mit Granulat

Silikonöle, ebenfalls Klassiker unter den Gleitmitteln, sind zwar geruchlos und verkraften problemlos hohe Temperaturen, tendieren aber noch stärker als die organischen Gleitmittel dazu, aus dem Kunststoff auszuwandern. Darauf reagierten die Hersteller, indem sie ultrahochmolekulare Silikonpolymere auf den Markt brachten, die wegen ihres hohen Molekulargewichts praktisch nicht mehr auswandern. Allerdings sind sie hochviskos, lassen sich also kaum mehr in die thermoplastischen Kunststoffmischungen einarbeiten. Dieses Problem lösten die seit Ende der 1990er-Jahre erhältlichen Silikon-Masterbatches, die als feste Granulate ohne Schwierigkeiten eingemischt werden können. Bei ihnen muss der Compoundierer aber als Nachteil in Kauf nehmen, dass er für jeden einzelnen Thermoplasten, den er mit dem Additiv modifizieren will, ein eigenes Additiv-Masterbatch vorhalten muss.

An diesem Punkt setzte Wacker bei der Entwicklung von Genioplast Pellet S an. Ziel war es, ein hochwirksames und leicht zu verarbeitendes Silikonadditiv zu entwickeln, das sich universell für jeden thermoplastischen Kunststoff eignen sollte. Dafür kam als Wirkstoff nur ein ultrahochmolekulares Silikon infrage. Es erwies sich aber als schwierig, dieses in eine leicht zu verarbeitende, feste Darreichungsform zu überführen.

Hoher Wirkstoffgehalt

Chemikern des Unternehmens gelang es, den Wirkstoff zu einem granulierten Produkt zu formulieren. Das Additiv liegt in Form von kleinen zylindrischen Pellets vor, die sich ohne Schwierigkeiten in die Kunststoffmischung einarbeiten lassen. Pyrogene Kieselsäure dient in den Pellets als Trägermaterial für den Silikonwirkstoff, der 70 Prozent des Pelletgewichts ausmacht. Dieser hohe Wirkstoffgehalt macht das Additiv effizient. Das Trägermaterial trägt entscheidend zu den vorteilhaften Eigenschaften des Additivs bei: Erstens ist die pyrogene Kieselsäure für die feste Konsistenz des Additivs verantwortlich. Weil sie, zweitens, mit allen thermoplastischen Kunststoffen verträglich ist, benötigt der Compoundierer nur noch ein einziges Silikonadditiv, um unterschiedliche thermoplastische Kunststoffe zu optimieren – ein großer Vorteil gegenüber den Silicon-Masterbatches. Drittens verankert die Kieselsäure den Wirkstoff fest in der Kunststoffmatrix. Der Silikonwirkstoff hat also keine Chance, aus dem modifizierten Kunststoff herauszuwandern.

Kratztests mit einem Ritzhärteprüfgerät zeigen, dass das Silikonadditiv die Oberflächenreibung des Kunststoffs und dadurch die Kratz- und Abriebbeständigkeit verbessert. Auch die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs leiden nicht.

Nach der Herstellung der ersten Proben des Additivs begannen die anwendungs­technischen Prüfungen. Hier mussten die Silikonpellets ihre Wirksamkeit und Praxistauglichkeit anhand von talkgefüllten Polypropylen-Mischungen beweisen und sich dem Vergleich mit marktgängigen Konkurrenzprodukten stellen. Auch hinsichtlich etwaiger Nebenwirkungen wurden Tests durchgeführt. Für die Untersuchungen standen nicht nur anwendungstechnische Labors zur Verfügung, sondern auch das Polymertechnikum von Wacker. Dadurch konnten die Techniker die zu prüfenden Kunststoffmischungen selbst herstellen – und zwar genau so, wie es auch ein Compoundierer macht, wenn er die Mischung auf einer Spritzgießmaschine weiterverarbeitet. Auch die für die Untersuchungen benötigten Prüfplatten wurden auf diese Weise hergestellt. Basis war eine typische talkgefüllte Polypropylen-Formulierung, der die zu testenden Additive in unterschiedlichen Einsatzmengen zugesetzt wurden. Die Oberflächenqualität der Prüfplatten wurde nach Industriestandards, vor allem nach den Vorschriften der Automobilhersteller geprüft und bewertet.

Deutlich kratz- und abriebbeständiger

So simuliert der Kratztest das Kratzen eines scharfkantigen Zündschlüssels. Der Test wird mit einem Ritzhärteprüfgerät durchgeführt, das mit einer Prüfnadel ausgestattet ist. Die erzeugten Kratzer werden anschließend näher untersucht. Wird die Prüfnadel durch eine Prüfscheibe ersetzt, stellt das Gerät den Schreibeffekt nach. Hierbei werden die Spuren mit Hilfe eines Glanzmessgeräts ausgewertet. Ein anderes Prüfgerät, der Lineartester, ahmt im Crockmeter-Test die Wirkung der scheuernden Bekleidung nach. Besonders aufschlussreich ist die Untersuchung der Kratzspuren im Vergleich zum nicht modifizierten Kunststoff: Unter einem Konfokalmikroskop lässt sich erkennen, dass die Kratzer in dem mit Genioplast Pellet S modifizierten Kunststoff weniger tief und weniger stark aufgeraut sind – selbst wenn die Prüfplatten eine Woche lang bei 80 °C gelagert wurden. Folglich sollten die Kratzer einfallendes Licht schwächer streuen, deshalb weniger hell aussehen und somit weniger auffallen. Das zweite Verfahren zur Untersuchung der Kratzspuren, die Helligkeitsmessung, bestätigt dies.

Die Ergebnisse dieser und weiterer Prüfungen zeigen: Die Silikonpellets verringern die Oberflächenreibung des Kunststoffs und verbessern dadurch die Kratz- und Abriebbeständigkeit. Dies geht zudem nicht auf Kosten der mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs. Im Gegenteil: Die Zugfestigkeit und die Steifigkeit werden sogar besser. Außerdem zeigen die Tests, dass der modifizierte Kunststoff nicht klebrig wird, wenn er ultraviolettem Licht ausgesetzt wird. Daher fühlen sich Interieur-Bauteile aus modifiziertem Polypropylen auch nach intensiver Sonneneinstrahlung noch gut an.

Im Fogging-Test schnitt Genioplast Pellet S – wie auch die beiden silikonbasierten Vergleichsprodukte – sehr gut ab, während das organische Additiv hier deutliche Schwächen zeigte. Im Unterschied zum organischen Additiv migriert das langkettige Silikon nicht aus dem Kunststoff aus, auch nicht bei höheren Temperaturen. Unangenehme Gerüche und Ausblühungen sowie lästige Beläge auf der Windschutzscheibe gehören mit dem Wacker-Produkt der Vergangenheit an.

Weil Kunststoffoberflächen mit dem neuen Additiv deutlich kratz- und abriebbeständiger werden, sehen sie im Fahrzeuginnenraum auch nach längerer intensiver Nutzung noch fast wie neu aus. Autohersteller können somit auf einfache Weise und kostengünstig ihre Wertschöpfung bei Interieur-Teilen verbessern. Inzwischen sind im Interieur von Autos vieler Hersteller Bauteile zu finden, die aus talkgefülltem, mit Genioplast Pellet S modifiziertem Polypropylen bestehen. Vorreiter sind europäische, vor allem deutsche, und südkoreanische Autohersteller. Aber auch in der US-amerikanischen Autoindustrie treffen die Siliconpellets auf wachsendes Interesse.