Einfluss des Gehalts an devulkanisiertem Reclaim-Kautschuk auf Struktur, mechanische Eigenschaften und thermo-oxidatives Alterungsverhalten von Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk

Warum alter Kautschuk weiterhin wichtig ist

Jährlich fallen große Mengen Kautschuk aus Dichtungen, Schläuchen, Dachabdichtungen und Reifen als Abfall an, weil gerade das Verfahren, das Kautschuk widerstandsfähig und elastisch macht, seine Wiederverwertung erschwert. Diese Studie untersucht einen vielversprechenden Weg, einem weit verbreiteten Kautschuktyp, EPDM, ein zweites Leben zu geben. Durch das gezielte Aufbrechen und teilweise Wiederbilden der winzigen Verbindungen, die das Material zusammenhalten, prüfen die Forschenden, wie viel recyceltes EPDM in neue Produkte eingemischt werden kann, ohne Sicherheit, Haltbarkeit oder Leistung zu opfern. Ihre Ergebnisse weisen auf nachhaltigere Kautschukbauteile in Fahrzeugen, Gebäuden und der Industrie hin, mit weniger Material, das auf Deponien landet oder verbrannt wird.

Gebrauchten Kautschuk wieder zu einer nützlichen Zutat machen

EPDM-Kautschuk wird breit eingesetzt, weil er Hitze, Ozon und Witterung besser widersteht als viele andere Elastomere. Sobald er vulkanisiert ist – chemisch vernetzt zu einem dreidimensionalen Netzwerk – wird er stark und elastisch, lässt sich aber nur schwer einschmelzen und neu verarbeiten. Das Team arbeitete mit devulkanisiertem EPDM, bei dem viele der schwefelbasierten Verknüpfungen zwischen den Ketten selektiv aufgeknackt wurden, während das Hauptpolymerrückgrat weitgehend erhalten blieb. Dieses Reclaim-Material enthält weiterhin Polymer, Ruß, Weichmacher und mineralische Füllstoffe. Die Forschenden mischten es in eine standardisierte EPDM-Dichtungsformulierung in vier Anteilen: gar nicht (eine unbehandelte Referenz), 20 %, 40 % und 60 % devulkanisierter Kautschuk. Für den höchsten Anteil testeten sie außerdem ein modifiziertes Rezept, das Ruß und Weichmacher reduzierte, um die Beiträge des recycelten Materials auszugleichen.

Wie sich das Hinzufügen von recyceltem Kautschuk auf die Struktur auswirkt

Um zu verstehen, was im Inneren des Kautschuks geschieht, nutzten die Autorinnen und Autoren eine Reihe von Techniken, die verfolgen, wie das Netzwerk sich bildet und altert. Vulkanisationsprüfungen, Quellversuche, temperaturabhängige Spannungsrelaxation, Niederfeld-NMR und eine Gefrierpunktmethode für eingeschlossene Lösungsmittel untersuchen, wie eng die Ketten miteinander verknüpft sind. Die meisten dieser Methoden kamen zu dem Ergebnis, dass das Einbringen von devulkanisiertem EPDM die Gesamtdichte der Verknüpfungen im Netzwerk erhöht, hauptsächlich weil das recycelte Material noch reaktive Schwefelstellen und teilweise gebrochene Bindungen enthält, die beim Nachvulkanisieren neue Brücken bilden können. Eine Methode – basierend darauf, wie das Vorhandensein des Kautschuks den Gefrierpunkt eines Lösungsmittels verschiebt – deutete jedoch darauf hin, dass bei hohem Recycelgehalt der mittlere Abstand zwischen den Verknüpfungen tatsächlich zunimmt. Die Autorinnen und Autoren schlagen vor, dass diese Diskrepanz ein komplexeres Gemisch aus langen, flexiblen Schwefelbrücken und kürzeren, steiferen Verknüpfungen in den reclaimerreichen Compounds widerspiegeln könnte und dass nicht alle Methoden diese Struktur auf dieselbe Weise ‘‘sehen’’.

Von Labortests zur Leistung in der Praxis

Mechanische Prüfungen zeigten einen klaren Zielkonflikt, je mehr devulkanisiertes EPDM zugegeben wurde. Die Shore-A-Härte, ein einfacher Indikator dafür, wie fest sich der Kautschuk anfühlt, stieg mit zunehmendem Recyclatanteil stetig an und spiegelt ein steiferes, dichter vernetztes Netzwerk mit reichlich Füllstoff wider. Gleichzeitig sanken Zugfestigkeit, Reißfestigkeit und Bruchdehnung, besonders bei 40 % und 60 %. Mikroskopische Unregelmäßigkeiten in der Verbindung zwischen neuen und alten Kautschukbereichen, ungleichmäßige Vernetzung und teilweise beschädigte Ketten erzeugen ‘‘Schwachstellen’’, an denen Risse einsetzen und wachsen können. Das angepasste 60%-Rezept mit reduziertem Ruß und Weichmacher machte das Material etwas weicher und verbesserte seine Dehnbarkeit im Vergleich zur unveränderten 60%-Mischung, während die meisten Eigenschaften in einem ähnlichen Bereich blieben. Das zeigt, dass eine durchdachte Formulierung die Nachteile hoher Recyclinganteile teilweise ausgleichen kann.

Was beim Altern des Kautschuks passiert

Für Dichtungen und Lager, die jahrelang in heißen, sauerstoffreichen Umgebungen sitzen können, ist Haltbarkeit genauso wichtig wie Anfangsstärke. Um Langzeiteinsatz zu simulieren, alterten die Forschenden alle Compounds bis zu sechs Wochen bei 70 °C und 100 °C sowie äquivalente kürzere Zeiten bei 125 °C. Sie verfolgten Veränderungen in Chemie, Steifigkeit, Festigkeit, Dehnbarkeit und Elastizität. Wie zu erwarten führte das Altern in jedem Material zu mehr Vernetzungen und zu teilweiseem Kettenbruch. Doch die Compounds mit Devulcanisat alterten nicht schneller als die unbehandelte Referenz; in vielen Fällen war ihr Verlust an Festigkeit und Flexibilität vergleichbar oder sogar geringfügig weniger ausgeprägt. Infrarotspektren und Vernetzungsmessungen zeigten, dass sich das Netzwerk allmählich von längeren, beweglicheren Schwefelbrücken hin zu kürzeren, starreren Brücken verschiebt, doch diese Verschiebung führte nicht zu einer dramatisch stärkeren Versprödung in den recycelten Mischungen. Das angepasste 60%-Rezept verhielt sich mitunter ungewöhnlich gut, was darauf hindeutet, dass Rezeptanpassungen sowohl die Anfangsleistung als auch die Alterungsbeständigkeit verbessern können.

Was das für grüneren Kautschuk bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Hauptaussage, dass EPDM-Kautschuk mit einem beträchtlichen Anteil sorgfältig devulkanisierten Materials noch respektabel funktionieren kann, insbesondere wenn die Rezeptur angepasst wird, um die zusätzlichen Füllstoffe und das reaktive Schwefel zu berücksichtigen, die er mitbringt. Mehr recycelter Anteil macht den Kautschuk fester, aber weniger dehnbar, und sehr hohe Anteile führen nach wie vor zu einem spürbaren Festigkeitsverlust. Allerdings zerfallen die recycelten Mischungen nicht schneller unter Hitze und Sauerstoff; sie altern ungefähr im gleichen Tempo wie konventionelles EPDM. Das legt nahe, dass Hersteller für viele Dichtungs- und Polsteranwendungen, bei denen extreme mechanische Eigenschaften nicht kritisch sind, einen erheblichen Anteil an Neuware durch rezykliertes EPDM ersetzen können, Abfall und Ressourcenverbrauch reduzieren und gleichzeitig eine lange Lebensdauer erhalten.

Zitation: Leng, Y., Spanheimer, V., Katrakova-Krüger, D. et al. Effect of devulcanized reclaimed rubber content on structure, mechanical properties, and thermo-oxidative aging behavior of ethylene-propylene-dien-monomer (EPDM) rubber. Sci Rep 16, 6350 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36961-w

Schlüsselwörter: EPDM-Kautschuk, Devulkanisation, Kautschukrecycling, Materialalterung, nachhaltige Polymere