Neustart für Altreifen

Rund 1,6 Milliarden Fahrzeuge sind weltweit unterwegs, die in ihrem Leben mehrfach mit Reifen ausgerüstet werden müssen. 2023 wurden knapp 1,8 Milliarden Reifen produziert und gleichzeitig ähnlich viele Alt­reifen für immer von den Felgen abgezogen (siehe Data Mining, Seite 57).

Im Idealfall würde man das Material der ausgedienten Reifen als Rohstoff für deren Nachfolger nutzen. Alt­reifen lassen sich gut einsammeln und liegen, anders als die meisten Kunststoffe, sortenrein vor. Warum also die Gummibestandteile nicht einfach einschmelzen und für neue Reifen verwenden? Das geht leider nicht. Die Vulkanisation hat nämlich eine Kehrseite: Chemisch lässt sie sich bislang nur mit viel Aufwand rückgängig machen.

Lange Zeit galten abgefahrene Reifen als Abfall. Noch in den 1990er-Jahren landet selbst in Europa ein Großteil auf Deponien. Der Rest wurde meist verbrannt, um etwa in Zementwerken Energie zu erzeugen. Irgendwann kam die Idee auf, alte Reifen zu schreddern und zu mahlen. Das so erzeugte Gummimehl geht seither allerdings vor allem in Straßenbeläge, Sportböden oder Baumaterialien.

Dass Reifengummi wieder für Reifen genutzt wird, ist die Ausnahme. „Branchenexperten schätzen, dass Reifenhersteller allenfalls fünf Prozent des Kautschuks in ihren Gummirezepturen durch Recyclingmehl ersetzen“, sagt Dr. ­Christian Mani. Mehr, so heißt es, könnte die Eigenschaften der Reifen verschlechtern.

Seit einigen Jahren aber ist in der Branche viel in Bewegung gekommen. Praktisch alle weltweit aktiven Reifenproduzenten haben sich ehrgeizige Nachhaltigkeitsziele gesetzt und wollen den Anteil erneuerbarer und recycelter Materialien in ihren Rezepturen stark steigern. Ein US-Hersteller präsentierte Anfang 2023 einen Demo-Reifen, der zu 90 Prozent aus nachhaltigen Rohstoffen besteht, immerhin sieben Prozent stammen dem Unternehmen zufolge aus Altreifen. Das Ziel vieler Hersteller ist klar: Stoffkreisläufe schließen.

Während dieser Zusammenarbeit kam ein Stoffkandidat in den Blick, der viele Anforderungen erfüllt und die Nachteile bisheriger Devulkanisationshilfen vermeidet. Zentraler Bestandteil ist ein Vinylsilan – eine Verbindung, bei der ein zentrales Siliziumatom eine seiner Bindungen zu einer Vinylgruppe bildet.

Weil diese recht reaktionsfreudig ist, kann das Vinylsilan während der Devulkanisation als Radikalfänger dienen. „Radikale bilden sich beim Brechen der Schwefelbrücken“, erklärt Mani: „Auf beiden Seiten bleiben Molekül-Enden zurück, die so reaktiv sind, dass sie sofort neue Bindungen knüpfen.“

Daneben erfüllt das Vinylsilan eine weitere Aufgabe, die vor allem beim Recycling von Pkw-Reifen wichtig ist. Anders als etwa Exemplare für Lkw enthalten sie in ihrem Laufflächengummi nämlich einen chemisch eingebundenen Füllstoff: Kieselsäure. „Fürs Recycling ist es von großer Bedeutung, diese Kieselsäure zu reaktivieren, sodass sie beim abermaligen Vulkanisieren neue chemische Bindungen eingehen kann“, erklärt Mani. Genau das leistet Vinylsilan.

Um herauszufinden, wie gut eine Devulkanisationshilfe ihren Job erledigt, sind eine Reihe von Tests notwendig: zum einen mit dem Devulkanisat, also dem Produkt der Devulkanisierung von altem Gummi, zum anderen mit dem neuen Gummi, für dessen Herstellung das Devulkanisat verwendet wurde.

Für solche Untersuchungen reist Christian Mani immer wieder nach Wesseling südlich von Köln. Dort befindet sich die Evonik-Anwendungstechnik Tire & Rubber. Unter anderem entwickelt sie Kieselsäureprodukte für Pkw-Reifen und stellt Proben für Versuchszwecke her. Die dafür erforderliche Testinfrastruktur nutzt Mani nun mit. Der Creavis-Forscher kann hier Gummiteile mit beliebigen Rezepturen herstellen lassen. Und es ist möglich, die Eigenschaften des produzierten Gummis direkt zu untersuchen.

Auch an diesem sonnigen Tag steht Christian Mani wieder einmal im Prüflabor. Mit Dr. Jens Kiesewetter, dem Leiter der Anwendungstechnik in Wesseling, schaut er auf eine Apparatur, die gerade ein schwarzes, hantel­förmiges Gummiteil in die Länge zieht. Ein Monitor daneben zeigt ein Diagramm, in dem die aufgewendete Kraft gegen die Dehnungslänge des Gummiteils aufgetragen ist: eine Linie, die ansteigt.

Als die Gummihantel ihre Länge annähernd verdoppelt hat, reißt sie in der Mitte. Im selben Moment fällt die Kurve auf dem Monitor senkrecht ab. „Das war jetzt die Bruchdehnung“, sagt Kiesewetter und erklärt, dass sich aus der am Ende aufgewendeten Kraft und der dabei erreichten maximalen Dehnung des Gummis die Zug­festigkeit errechnen lässt.

Mani und Kiesewetter kontrollieren die Werte, dann geht es weiter zum nächsten Testaufbau. „Unsere Gummi­proben enthalten unterschiedliche Anteile an Devulkanisat, und wir wollen schauen, wie sich diese Anteile auf die Eigenschaften auswirken“, erklärt Mani. Neben der Zugfestigkeit seien das etwa die Härte oder die Materialhomogenität.

Die Forscher verwenden bei ihren Versuchen eine Rezeptur für das Laufflächengummi von Pkw-Reifen, weil dies zu den anspruchsvollsten Reifenkomponenten zählt. Dazu ist es wichtig zu wissen, dass ein Reifen zwar durchgehend aus Gummi besteht, die Rezepturen für die einzelnen Bestandteile wie Lauffläche, Karkasse, Seiten­wand, Wulst oder Innenbeschichtung aber jeweils unterschiedlich sind, etwa was die Art des verwendeten Kautschuks betrifft.

Die Lauffläche muss dabei den höchsten Anforderungen standhalten und garantiert nicht zuletzt die Sicherheit des Fahrzeugs. „Funktioniert ein Devulkanisat in dieser Komponente, dann wird es sich mit ­großer Wahrscheinlichkeit auch für einige der anderen Reifen­teile eignen“, sagt Wilma Dierkes von der Universität Twente.

Trotz der bisherigen Erfolge sei es jedoch zu früh, auf Reifenhersteller zuzugehen, sagt Mani. „Bisher ­stammen unsere Devulkanisate aus Laborversuchen. Derzeit versuchen wir sicherzustellen, dass die Eigenschaften auch dann gewährleistet sind, wenn wir in größeren Anlagen devulkanisieren, wie sie für eine industrielle Anwendung nötig wären.“

Damit kann auch noch nicht gesagt werden, in welche Reifenkomponenten und mit welchem Anteil Hersteller das Devulkanisat später einmal einarbeiten würden. Wären es wirklich die 20 Prozent im anspruchsvollen Laufflächengummi, kann sich Recy­cling­forscherin Wilma Dierkes sogar vorstellen, dass die Wiederverwertungsquote in anderen Reifenkomponenten höher ist.