Kunststoff Synthesekautschuk ermöglicht neue Kautschuktypen für Autoreifen

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Synthetischer Kautschuk ist aus PKW-Reifen und technischen Gummiwaren nicht mehr wegzudenken. Bislang wird er aus fossilen Rohstoffen hergestellt. Fraunhofer-Forscher wollen nun alternative, biobasierte Rohstoffquellen für Synthesekautschuk entwickeln.

Jährlich werden knapp 15 Millionen Tonnen Synthesekautschuk produziert – Tendenz steigend. Den Hauptmarkt für Synthesekautschuk stellen dabei PKW-Reifen mit etwa 70 Prozent dar. Die benötigten Ausgangsstoffe – die Monomere Butadien, Styrol und Isopren – werden aktuell fast ausschließlich auf Basis von Erdöl hergestellt. Allerdings besteht weltweit für Kautschukproduzenten ein Bedarf an nachhaltigen Alternativen. Darüber hinaus ergeben sich aus dem gesamtgesellschaftlichen Ziel, die Mobilität nachhaltiger zu gestalten, auch neue Anforderungen an Autoreifen.

Kautschuk-Monomere aus biobasierten Alkoholen

Im Projekt „Nachhaltige Biomonomere für Synthesekautschuke mit anwendungsbezogenen einstellbaren viskoelastischen Eigenschaften NaMoKau“ erschließt ein Team aus vier Fraunhofer-Instituten biobasierte Rohstoffquellen für Synthesekautschuk. Beteiligt sind die Fraunhofer-Institute für Angewandte Polymerforschung IAP, für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM und für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht.

„In dem Projekt stellen wir die Kautschuk-Monomere Butadien, Isopren und Dimethylbutadien aus biobasierten Alkoholen her“, erklärt Dr. Barbara Zeidler-Fandrich vom Fraunhofer Umsicht. Damit dieser Prozess funktionieren kann, will das Team einen möglichst aktiven und selektiven Katalysator einsetzen. Dafür entwickeln sie neuartige Materialien auf der Basis von Tonmineralien.

Dimethylbutadien für die Kautschuksynthese zugänglich machen

Herausforderung bei diesem Projekt ist es nachhaltiges Dimethylbutadien herzustellen. Dieses Monomer im technischen Maßstab war bisher nicht verfügbar. „Wir werden Dimethylbutadien für die Kautschuksynthese zugänglich machen. Kombiniert mit den Synthesebausteinen Butadien und Isopren werden wir neuartige Polymerstrukturen mit einzigartigen mechanischen und thermischen Eigenschaften synthetisieren. Auf diese Weise entstehen völlig neue biobasierte Kautschuktypen mit Materialeigenschaften, die bisher nicht realisierbar waren und äußerst systematisch eingestellt werden können“, ergänzt NaMoKau-Projektleiter Dr. Ulrich Wendler, Polymerexperte am Fraunhofer IAP.

Auf dem Weg zu Autoreifen mit bisher unerreichten Eigenschaften

Bei der Entwicklung von Autoreifen sollte ein idealer Ausgleich zwischen den drei Faktoren Rollwiderstand, Nassgriff und Abrieb gefunden werden. Um diese Parameter zu verbessern, werden Füllstoffe, Verarbeitungshilfsmittel und andere Additive dem Kautschuk zugesetzt. Diese beeinflussen die Lauffläche des Autoreifens maßgeblich. „Unser Ziel ist es, auf Basis der Kautschuktypen, die wir im Projekt erforschen werden, neue Mischungen für PKW-Laufflächen mit bisher nicht erreichbaren Eigenschaftsprofilen zu entwickeln. Das wird der Reifenindustrie neue Perspektiven eröffnen“, erklärt Professor Mario Beiner vom Fraunhofer IMWS.

Ökologischen Fußabdruck ISO-konform ermitteln

Um die Markteinführung des Kautschuks so schnell wie möglich zu erreichen, setzt das Team auf digitale Methoden im Materialdesign. „Mittels datengestützter Simulationen machen wir möglichst zielgerichtete Vorschläge für Versuche zur Synthese und zur Materialcharakterisierung. Dafür entwickeln wir einen Softwareprototypen zur modellbasierten Vorhersage, Unsicherheitsbewertung und Versuchsplanung“, sagt Professor Michael Bortz vom Fraunhofer ITWM.

Schlussendlich wird aus den entwickelten Materialien ein vollständig testbarer Reifen-Demonstrator entstehen. „Die gesamte Wertschöpfungskette vom Monomer über das Polymer bis zum Kautschukcompound im Demonstrator wird mit einem Life Cycle Assessment begleitet. Durch diese systematische Analyse sind wir in der Lage, den ökologischen Fußabdruck ISO-konform zu ermitteln und zur Grünen Chemie beizutragen“, erläutert Dr. Markus Hiebel vom Fraunhofer Umsicht.

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