Seit Beginn des Durchbruchs technischer Kunststoffe als Ersatz zahlreicher traditioneller Materialien wie Holz, Papier und Stahl in der Mitte vergangenen Jahrhunderts spielt die Stabilisierung wie auch die Modifizierung der Eigenschaften von polymeren Werkstoffen eine überragende Rolle. Einen entscheidenden Beitrag leisten hierbei Kunststoffadditive, die, in zumeist kleinen Konzentrationen durch Compoundierung eingesetzt, in ihrer Struktur und Zusammensetzung an das jeweilige Produkt und dessen Verwendungszweck angepasst werden müssen.

Kunststoffadditive, darunter Weichmacher, Verarbeitungshilfen wie Viskositätsregler, Gleitmittel, Antiblock-Zusätze, Emulgatoren, Formtrennmittel, Haftvermittler, aber auch flammhemmende Zusätze, Antistatika, Nukleierungsmittel, antimikrobielle Zusätze und Füllstoffe im Allgemeinen dienen hauptsächlich der Modifizierung von Polymereigenschaften.

Stabilisierung von Anfang an

Kunststoffstabilisatoren als eine weitere bedeutende Teilgruppe der Kunststoffadditive sollten sich in die amorphen Bereichen des jeweiligen Kunststoffs möglichst homogen inkorporieren lassen und dort hinreichend verträglich sein. Bei ihrer Verwendung muss sichergestellt sein, dass die geforderten ästhetischen, mechanischen oder optischen Eigenschaften der Kunststoffe signifikant verändert werden. Zudem sind Nicht-Toxizität und organoleptische Neutralität wichtige Voraussetzungen für deren Applikation.
Die Zugabe dieser Stabilisatoren erfolgt während des Herstellungsprozesses des jeweiligen Kunststoffes („Basisstabilisierung"), in den meisten Fällen aber durch Zumischen bei der Herstellung des Endartikels aus der Schmelze.

Erhalt der Eigenschaften

Stabilisatoren ermöglichen es, einen gebrauchsfähigen Kunststoff zu verarbeiten („Verarbeitungsstabilisatoren") bzw. während dessen Gebrauchsdauer schädigende Einflüsse, wie wärme- und / oder lichtinduzierte Oxidation, zurückzudrängen, die in vielen Fällen etwa zum Verlust der geforderten mechanischen Eigenschaften oder zu starker Verfärbung führen können. Auch Katalysatorrückstände und Spuren anderer Verunreinigungen in der Polymermatrix können Ursachen für einen raschen Abbau von Kunststoffen sein.

Als effiziente Verarbeitungsstabilisatoren werden meist Organophosphite oder -phosphonite eingesetzt, die unter Ausnutzung der Bildungstendenz von P=O -Bindungen insbesondere intermediär gebildete Hydroperoxide zersetzen können. Geeignete Antioxidantien fangen dabei entstehende freie Radikale ab bzw. sind in der Lage, die Bildung solcher Radikale zu verhindern. Typische Vertreter sind sterisch gehinderte Phenole oder Amine, unter ihnen „klassische" Vertreter wie sterisch gehinderte Piperidin-Derivate (Hindered Amine (Light) Stabilizers: HA(L)S).

UV-Absorber, unter ihnen Hydroxybenzophenone, Benztriazole, Hydroxyphenyltriazine, Benzoesäureester, Oxanilide und Benzylidenmalonate schützen Polymere gegen eine Schädigung durch kurzwelliges, ultraviolettes Licht. Deren Mechanismus beruht auf der Umwandlung des eingestrahlten kurzwelligen Lichts in deutlich weniger energiereiche IR-Strahlung, wobei UV-Absorber selber hinreichend photostabil sein müssen, um ihre Wirksamkeit längere Zeit im polymeren Substrat aufrechtzuerhalten.

Besonders intensiv untersucht und in der technisch-wissenschaftlichen Literatur beschrieben sind Abbau und Stabilisierung von Polyolefinen. Auch andere technisch bedeutsame Polymere erleiden Zersetzungsreaktionen. Als Beispiel sei an dieser Stelle der thermisch induzierte Abbau von PVC erwähnt, bei dem in der Regel Chlorwasserstoff freigesetzt wird und gleichzeitig Doppelbindungen gebildet werden. Traditionell wurden und werden organische Blei-, Barium-, Cadmium-, Zink- und Zinnverbindungen eingesetzt, die in der Lage sind, diesen Zerfall zurückzudrängen. Wegen akuter ökologischer Bedenken bei Verwendung solcher Additive werden in immer stärkerem Maße und mit großem Erfolg Hydrotalcit-haltige Stabilisatorsysteme wie Hycite oder Sorbacite von Süd-Chemie eingesetzt.

Flammschutz für Kunststoffe

Viele technische Kunststoffe stellen im Brandfall große Gefahrenquellen dar. Einerseits verläuft die Brandausbreitung mit großer Geschwindigkeit, andererseits werden in den meisten Fällen giftige Gase wie etwa Chlorwasserstoff (aus PVC), Kohlenmonoxid, Dioxine oder Dibenzofurane freigesetzt. Der Zusatz von Flammschutzmitteln verhindert im frühen Stadium eines Brandes (Schwelbrand) entweder die weitere Sauerstoffzufuhr oder greift frühzeitig in die Bildung von thermisch initiierten Radikalen ein, was im günstigen Fall zum Erlöschen des Brandes führen kann.

Flammschutzmittel ganz unterschiedlichen chemischen Ursprungs sind kommerziell erhältlich. Ihre Verwendung in der Kunststoffmatrix erfolgt in der Regel in mindestens einstelligen, meistens jedoch in zweistelligen Prozentanteilen. Somit werden, im Gegensatz zu vielen anderen Typen von Kunststoffadditiven, auch die Kunststoffeigenschaften deutlich beeinflusset. Die verschiedenen Wirkungsprinzipien der Flammschutzmittel spiegeln sich in den chemisch unterschiedlichen, kommerziell erhältlichen Produktklassen wieder. So finden noch immer Derivate wie polybromierte Diphenylether, Hexabromcyclododecan, Tetrabromphthalsäureanhydrid, Tertabrombisphenol A, Chlorparaffine oder Dodecachlorpentacyclooctadecadien (Dechlorane) vor allem in Thermoplasten und einigen Duroplasten Einsatz. Deren Funktion besteht darin, thermisch initiierte Radikale freizusetzen und auf diese Weise volatile Zwischenprodukte des Brennvorgangs abzufangen.

Aluminiumhydroxid zeichnet sich dadurch aus, dass es bei Erhitzen Wasser abspaltet, was im Anfangsstadium eines Brandes dessen Löschung bewirken kann. Haupteinsatzgebiete dieses Flammschutzmittels sind Elastomere, Duroplaste und PVC. Neuere Entwicklungen gibt es aus der Klasse phosphorhaltiger Flammschutzmittel zu vermelden, etwa Metallphosphinate vom Typ Exolit OP (Depal von Clariant). Zwischenprodukte auf Phosphorsäure-Basis sind in der Lage, eine Wasserabspaltung aus polymeren Substraten zu katalysieren, was wiederum die Brandbekämpfung fördert. Gemäß diesem chemisch-physikalischen Wirkungsmechanismus sind es vor allen Polyurethane, Polyamide und hochschlagfestes Polystyrol (HIPS), in denen diese Klasse von Flammschutzmitteln Anwendung finden.