Additiv

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Additive (lateinisch additivum, „hinzugegeben, beiliegend“) – auch Hilfsstoffe oder Zusatzstoffe genannt – sind Stoffe, die Produkten in geringen Mengen zugesetzt werden, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen oder zu verbessern.

Additive werden eingesetzt, um einen positiven Effekt auf Herstellung, Lagerung, Verarbeitung oder Produkteigenschaften während und nach der Gebrauchsphase zu erreichen. Im Gegensatz zu Füllstoffen tragen Additive meist nur wenige Prozent oder auch nur Promille zum Gesamtvolumen bei und sind im Material sehr fein verteilt (häufig gelöst).

Einsatz von Additiven

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Eigenschaften

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Additive sind in der Regel auf die jeweilige Anwendung hin optimiert. So müssen beispielsweise Additive in Treibstoffen eher hydrophob sein, während Biozide in Wasserkreisläufen wiederum typischerweise hydrophil oder löslich sind.

An Additive werden neben spezifischen Eigenschaften folgende Anforderungen gestellt:

Hinzu kommen die generellen Anforderungen an alle Rohstoffe:

Die Einsatzmenge wird in der Regel spezifisch abgestimmt. Allgemein ist die Menge sehr gering und umfasst meist einen Anteil von weniger als 1 % an der Gesamtrezeptur.

Bei Weichmachern allerdings kann die Menge bis zu 30 % betragen.

Typische Additive

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Die Additive umfassen eine typischerweise breit gefächerte und sehr heterogene Gruppe von Anwendungsmöglichkeiten.

Es können jedoch auch Rohstoffe die Funktion eines Additives übernehmen, die üblicherweise nicht als Additiv eingesetzt werden bzw. so bezeichnet werden.

Additive erhöhen meistens den Materialpreis des hergestellten Produktes, da es sich bei Additiven um Spezialchemikalien handelt, die nur in geringen Mengen produziert werden. Je nach Art und Wirkungsweise des Additivs können sie auch gesundheitlich bedenklich sein. In komplexeren Formulierungen können Wechselwirkungen zwischen verschiedenen gleichzeitig eingesetzten Additiven und eine daraus folgende verminderte oder gar aufgehobene Wirkung nicht ausgeschlossen werden.

Spezielle Anwendungen

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Für Treibstoffe

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Bei Treibstoffen werden Additive zudosiert, um verschiedene Eigenschaften zu verstärken oder zu verbessern, wie z. B. bei Benzin zur Erhöhung der Klopffestigkeit (früher Tetraethylblei; wegen dessen Wirkung als Katalysatorgift kommen heute bleifreie Antiklopfmittel zum Einsatz), zur Verbesserung der Verbrennung, zur Reinigung/Reinhaltung der Kraftstoffanlage inkl. Ventile und Brennraum, Verbesserung der Lagerfähigkeit. Bei Diesel gibt es Additive für die Verbesserung der Kälteeigenschaften (siehe Winterdiesel, Cloud Point, Cold Filter Plugging Point). Diese Additive werden von den Mineralölgesellschaften zu den eigenen Treibstoffen, wie sie in einer Raffinerie hergestellt werden, zugemischt (sog. Markenkraftstoff). Freie Tankstellen erhalten dagegen meist nur den genormten Grundkraftstoff ohne Additive, welcher jedoch auch alle Normforderungen erfüllt. Den an Markentankstellen vertriebenen Kraftstoffen werden oft auch Farbstoffe beigemischt, die den Flüssigkeiten die jeweilige Markenfarbe des Mineralölkonzerns geben. Neben der Optimierung von Dieselkraftstoffen für Kälteresistenz gibt es weitere Anwendungen von Additiven im Diesel. Zwei weitere, wichtige Wirkungsweisen die für bestimmte Industriezweige ausschlaggebend sind, ist einmal die Stabilisierung des Kraftstoffes bei der Lagerung sowie die Effizienzsteigerung bei der Verpuffung im Motor. Die Lagerstabilität von handelsüblichem Diesel nimmt mit der Zeit ab. Dieser Effekt ist in Deutschland auch als die "Dieselpest" bekannt. Er entsteht durch die Verwässerung des Kraftstoffs, da Wasser das Wachstum von Mikroorganismen, Hefen und weiteren Pilzen begünstigt, entstehen so Ablagerungen am Boden von Kraftstofftanks. Dieser entstandene Schlick wurde im allgemeinen Sprachgebrauch Pest genannt. Durch die Beimischung von Additiven kann diese Verwässerung hinausgezögert, die Bildung von Schlick fast vollständig verhindert (häufig durch beigemischte Biozide) und die Lagerstabilität so teilweise vervielfacht werden.[1]

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Steigerung des Wirkungsgrades zwischen verbranntem (bei Ottomotoren) / verpufften (bei Dieselmotoren) Kraftstoff und der umgesetzter Leistung. Hier erhöhen einige Additive die Oktan- bzw. Cetanzahl und sorgen so für erheblich mehr Leistung und Effizienz im Motor.[2]

Bei mit Erdgas (CNG) und Autogas (LPG) betriebenen Ottomotoren empfiehlt sich die Beimischung von Additiven, um die Ventilsitze zu schmieren und zu kühlen. Da beim Gasbetrieb die Additive nicht über den Tank eingefüllt werden können, gibt es spezielle Einbausets, die das flüssige Additiv dosiert durch ein Ventil aus einer Flasche mittels der Ansaugluft direkt in den Vergaser saugt. Dort wird es tröpfchenweise im Gas/Luftgemisch verstäubt und gelangt so zu den Ventilen. Ähnlich wird bei Oldtimern bisweilen wegen einer vermuteten Schmierwirkung Bleiersatz verwandt.[3][4][5]

Bei neueren Dieselmotoren im LKW-Bereich wird die genormte Harnstofflösung AUS 32 nicht als Additiv bei der Verbrennung, sondern aus einem meist neben dem Diesel-Tank angebrachten Zusatztank in einen speziellen Stickoxid-Katalysator elektronisch geregelt eingesprüht. Dadurch können die gesundheits- und umweltgefährdenden Schadstoffemissionen stark reduziert und die strengen Normen der Euro 4, Euro 5 und Euro 6 erfüllt werden.

Für Schmierstoffe

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Prinzipiell bestehen alle Schmierstoffe aus einer Basisflüssigkeit (meistens Grundöl) sowie aus weiteren Inhaltsstoffen, welche man Additive nennt. Additive für Schmierstoffe werden in Schmierölen, Kühlschmierstoffen und Schmierfetten eingesetzt.

Die tribologischen Eigenschaften des Schmierstoffs werden mit folgenden Additiven verbessert:

Folgende Additive werden benötigt, um weitere Anforderungen an den Schmierstoff zu erfüllen:

Die Additive werden dem Grundöl beigemischt (bis zu 30 %). Je nach der Art der Anwendung werden die Additive ausgewählt, um die geforderten Eigenschaften zu gewährleisten. Bei Getriebeölen sind Additive für bestimmte Zwecke, z. B. zur Erhöhung der Druck- und Scherfestigkeit unerlässlich. Ein typisches Additiv bei Motorölen für Brennkraftmaschinen ist Molybdändisulfid.

Für Treibstoffe und Schmierstoffe speziell für Luftfahrtantriebe

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Übliche Additive in Flugzeugtreibstoffen und Flugzeug-Schmierölen sind[6][7][8][9][10] (in alphabetischer Reihenfolge der Substanzklassen):

Prüfung auf Trübung
Verbleites Benzin

AvGas enthält zusätzlich zu den sonstigen Additiven noch Ventil­sitzverschleiß­schutzmittel,[6] Antiklopfmittel wie beispielsweise Tetra-Ethyl-Blei („TEL“)[19][20] zusammen mit 1,2-Di-Brom-Ethan oder 1,2-Di-Chlor-Ethan als auch sogenannte Radikalfänger (um als Endreaktionsprodukt flüchtiges Blei-Bromid oder Blei-Chlorid zu bilden und Bleioxid­ablagerungen zu verhindern). Es sind Treibstoffe mit unterschiedlichen Bleigehalten am Markt (low lead (LL); very low lead (VLL); oder unleaded (UL) „almost all avgas on the U.S. market today [2013] is low lead“.[21] Bis zu 560 mg Blei/Liter in Avgas 100LL (Oktanzahl 100, „wenig Blei“).[22] Bis 2018 wird von der Piston Aviation Fuel Initiative getestet, ob Bleizusätze endgültig weggelassen werden können, weltweit sind [2015] geschätzt 230.000 Kolben-Flugzeugmotoren in Verwendung.[23] Andere verwendete Antiklopfmittel sind (Methylcyclopentadienyl)mangantricarbonyl[24] und Ferrocen.[25]

Der weltweite Verbrauch von Additiven für Flugtreibstoffe lag 1990 bei 30.000 Tonnen, bei allen Treibstoffen (inklusive Kraftfahrzeugtreibstoffe) gesamt hatten Detergentien den größten Anteil (50 %), gefolgt von Fließverbesserern (13 %), Cetanzahlverbesserern (8 %), Antioxidantien (7 %), Schmierleistungsverbesserer (etwa 5 %), Vereisungsschutzmittel und Korrosionsschutzmittel (3 %)[26]

Für Beschichtungsstoffe

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Lackadditive sind Hilfsstoffe, die einem Beschichtungsstoff in geringen Mengen zugesetzt werden, um diesem bestimmte Eigenschaften zu verleihen oder ihn zu verbessern.

Die Auswahlkriterien sind neben dem Preis-Leistungs-Verhältnis die Effektivität und die Wirkungsweise.

Bei der Verwendung muss immer darauf geachtet werden, ob Wechselwirkungen zwischen Additiven auftreten. Dies ist vor allem bei Stoffen, die oberflächenaktiv sind, häufig – Tenside können Schaum verursachen, Entschäumer dagegen Krater, Benetzungsstörungen und ähnliche Effekte. Die Wirkungen der beiden Additivgruppen sind einander entgegengesetzt und können sich daher im ungünstigsten Fall aufheben.

Die meisten Additive sind flüssig oder liegen in fester Form vor. Die Einarbeitung ist dadurch sehr einfach. Sie werden nach der Dispergierung zugegeben und eingerührt. Additive, die auf den Produktionsprozess Einfluss nehmen sollen, z. B. Entschäumer, Netz- und Dispergiermittel, werden vor dem Dispergieren zugesetzt.

Wenn mehrere Additive eingesetzt werden, werden diese einzeln zugegeben. Außerdem sollte nach jedem Additiv eine gute Durchmischung erfolgen, um Wechselwirkungen auszuschließen.

Für Kunststoffe

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In Kunststoffen werden Additive eingesetzt,[27]:

  • zur Verhinderung der Degradation (Korrosion) durch Autoxidation,
  • als Alkylradikalfänger in der Produktion (thermische Zersetzung von Thermoplasten beim Aufschmelzen),
  • als Stabilisatoren:
  • Kompatibilisatoren oder Verträglichkeitsvermittler: Thermoplastische Polymere sind in geschmolzenem Zustand nicht miteinander mischbar.[32] Kompatibilisatoren setzen bei Mischpolymerisaten die Grenzflächenspannungen zwischen den Phasen herab und verringern die Phasentrennung und Zusammenballung der unterschiedlichen Grundstoffmoleküle.[32]
    • Schlagzäh-Modifier: Zähigkeit beschreibt die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffs gegen Bruch oder Rissausbreitung.[33], wie sie bei plastischer Verformung auftreten kann. Die Schlagzähigkeit beschreibt das temperaturabhängige Verhalten eines Werkstoffs bei Einwirkung von Energie (Stoßenergie oder Schlagenergie) einen Teil der kinetischen Energie durch Verformung zu absorbieren. Bei geringer Schlagzähigkeit würde die Probe spröde zerbrechen oder zerbröseln. Eigenschaften von Kunststoffen können sich abhängig von der Verarbeitung stark verändern, für Spritzguss wird in der Literatur beispielhaft angeführt,[34] was Einfluss auf mechanische Eigenschaften haben kann: Aufheizgeschwindigkeit des Granulats mit örtlichen Überhitzungen, Temperatur, Durchmischung, Verweilzeit im aufgeschmolzenen Zustand, der Spritzdruck und die Nachdruckzeit, die Temperatur der Form und die Abkühlzeit". Schlagzäh-Modifier verbessern dabei die Duktilität bei der Verarbeitung und im Gebrauch der daraus hergestellten Artikel.
  • Verarbeitungshilfsmittel,
  • Antistatikmittel,
  • Farbstoffe,
  • Optische Aufheller,
  • Treibmittel,
  • Flammschutzmittel,
  • Füllstoffe und Verstärkungsmittel,
  • Haftvermittler
  • und Biozide.

Für Arzneimittel

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Als Korrigens oder Corrigens wird ein Zusatzstoff in Arzneimitteln bezeichnet, der den Geschmack, Geruch oder das Aussehen verbessert, jedoch keine pharmakologische Wirkung hat.[35]

Für Lebensmittel

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Lebensmittelzusatzstoffe werden eingesetzt, um Struktur (beispielsweise die Rieselfähigkeit oder den Biss), Geschmack, Geruch, Aussehen (beispielsweise durch Farbstoffe oder Glanzmittel), chemische Haltbarkeit (mittels beispielsweise Emulgatoren oder Stabilisatoren) und mikrobiologische Haltbarkeit (beispielsweise durch Konservierungsmittel) verarbeiteter Lebensmittel, also ihren Gebrauchs- und Nährwert zu verbessern, sowie um die störungsfreie Produktion der Lebensmittel sicherzustellen.

Für Beton

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Siehe Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel.

Literatur

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  • DIN Deutsches Institut für Normung e. V. (Hrsg.): DIN-Taschenbuch 157: Farbmittel. 3. Auflage. Beuth, Berlin / Wien / Zürich 1997.
  • Kurt Wehlte: Werkstoffe und Techniken der Malerei. Otto Maier, Ravensburg 1967, ISBN 3-473-48359-1.
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Wiktionary: Additiv – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelbelege

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  1. ↑ Actioil International / Universität Porto Alegre und Fachhochschule für Erdölerzeugnisse Rio de Janeiro: Multifunktionale Kraftstoffadditive. In: Actioil. Abgerufen am 28. Januar 2020 (englisch, deutsch, französisch).
  2. ↑ Forschung Kraftstoffadditive. Abgerufen am 28. Februar 2020.
  3. ↑ Zusatz-Additive – Wer braucht noch Blei-Ersatz? – autobild.de. In: autobild.de. 26. März 2003, abgerufen am 12. März 2016.
  4. ↑ ADAC Info – Oldtimer & Youngtimer – Fahrzeughistorie – Blei im Sprit. In: adac.de. Archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 12. März 2016; abgerufen am 12. März 2016.
  5. ↑ Wunscholdtimer: Grundwissen: Bleizusatz im Benzin – Ist dieser notwendig für den Motor? In: wunscholdtimer.de. Archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 12. März 2016; abgerufen am 12. März 2016.
  6. ↑ a b c d e f g h i j k l m n o p q A. Groysman: Corrosion in Systems for Storage and Transportation of Petroleum Products and Biofuels – Identification, Monitoring and Solutions. Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-94-007-7883-2, S. 23–32; online einsehbar (PDF, ≈ 702 KB; englisch) – bei www.springer.com
  7. ↑ Chemistry of Gasoline Fuel Additives, in Fuel Additives Use and Benefits, Technical Committee of Petroleum Additive Manufacturers in Europe, pdf-Datei online einsehbar
  8. ↑ Leslie R. Rudnick: Lubricant Additives. CRC Press, 2017, ISBN 978-1-351-64696-3 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche)
  9. ↑ Johannes Karl Fink: Additives for High Performance Applications. John Wiley & Sons, 2016, ISBN 978-1-119-36390-3 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  10. ↑ R. M. Mortier: Chemistry and Technology of Lubricants. Springer, 2012, ISBN 978-1-4615-3272-9, S. 62 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  11. ↑ The trouble with water…; bei www.shell.com
  12. ↑ Fuel System Icing Inhibitor – Dicing
  13. ↑ Yanis C. Athanassiadis: Air Pollution Aspects of Phosphorus and its Compounds. United States Environmental Protection Agency online einsehbar (englisch)
  14. ↑ Kim B. Peyton: Ondeo/Nalco Fuel Field Manual, McGraw Hill Professional, 2002.
  15. ↑ S. P. Srivastava, Jenö Hancsók: Fuels and Fuel-Additives. John Wiley & Sons, 2014, ISBN 978-1-118-79639-9 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  16. ↑ Leslie R. Rudnick: Lubricant Additives. CRC Press, 2017, ISBN 978-1-351-64696-3 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  17. ↑ Refinery Additives for Middle Distillates. Abgerufen am 1. April 2023 (amerikanisches Englisch).
  18. ↑ Metall-Chemie Fine chemicals Produktdatenblatt
  19. ↑ Lawrence K. Wang: Heavy Metals in the Environment. CRC Press, 2009, ISBN 978-1-4200-7319-5, S. 478 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  20. ↑ Steve Esomba: Global Tourism & the Environment: the Necessities for Clean Energy and Clean Transportation Usages. Lulu.com, 2012, ISBN 978-1-4717-4968-1, S. 75 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  21. ↑ Federal Aviation Administration: Fact Sheet – Leaded Aviation Fuel and the Environment (englisch), 19. Juni 2013.
  22. ↑ Avgas bei www.shell.com;
  23. ↑ David Esler: Getting the Lead Out: The Future of Avgas. In: aviationweek.com. 25. Februar 2015, abgerufen am 8. April 2017 (englisch).
  24. ↑ S. P. Srivastava: Fuels and Fuel-Additives. John Wiley & Sons, 2014, ISBN 978-1-118-79639-9 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  25. ↑ Peter Eastwood: Particulate Emissions from Vehicles. John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-0-470-98650-9, S. 98 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  26. ↑ S.P.Srivastava, Jenö Hanczok: Fuels and Fuel-Additives. Wiley, Hoboken (New Jersey), 2014, ISBN 978-0-470-90186-1.
  27. ↑ Ralph-Dieter Maier: Kunststoff Additive Handbuch. Carl Hanser Verlag GmbH Co KG, 2016, ISBN 978-3-446-43291-8 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  28. ↑ Zusatz (sic!) und Füllstoffe bei Kunststoffen, Website über Kunststoff-Technik, zuletzt abgerufen im Februar 2020
  29. ↑ Gesamtbericht Behandlungs- und Verwertungswege für PVC-Abfälle; Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Wien, Dezember, 2002 (pdf-Datei), zuletzt abgerufen im Februar 2023
  30. ↑ a b Hans Jürgen Wernicke und Joachim Großmann: „Umweltfreundliche Stabilisierung von PVC durch synthetische Hydrotalcite“ (Memento vom 19. Februar 2020 im Internet Archive); Aktuelle Wochenschau der GDCh; 2008, zuletzt abgerufen im Februar 2020
  31. ↑ Vinyl 2010 Freiwillige Selbstverpflichtung der PVC-Industrie. (pdf-Datei) The European Council of Vinyl Manufacturers (Industrieverband), abgerufen am 1. April 2023.
  32. ↑ a b Ralph-Dieter Maier, Michael Schiller: Handbuch Kunststoff Additive. ISBN 978-3-446-43291-8, S. 21 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  33. ↑ Lothar Issler, Hans Ruoß, Peter Häfele: Festigkeitslehre - Grundlagen. Springer, 2003, ISBN 3-540-40705-7 (Seite 311 in der Google-Buchsuche).
  34. ↑ Eckard Macherauch, Hans-Werner Zoch: Praktikum in Werkstoffkunde. ISBN 978-3-8348-9884-5, S. 548 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche), zuletzt abgerufen im März 2020
  35. ↑ wissen.de: 'Corrigens', geladen am 26. September 2018.
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