Was wir bei einem Autoreifen als Gummi bezeichnen, ist in Wirklichkeit eine komplexe Mischung zahlreicher Rohstoffe. Neben verschiedenen Kautschukarten kommen unter anderem Füllstoffe und spezielle Zusatzstoffe zum Einsatz. Ihre Zusammensetzung beeinflusst maßgeblich, wie sich ein Reifen auf der Straße verhält.
Grip, Rollwiderstand, Verschleiß und Temperaturverhalten stellen dabei unterschiedliche Anforderungen an das Material. Deshalb gibt es nicht die eine ideale Gummimischung – vielmehr wird ihre Zusammensetzung gezielt an den jeweiligen Einsatzbereich angepasst.
Was ist eine Gummimischung?
Als Gummimischung wird eine Rezeptur aus Natur- und Synthesekautschuk, verstärkenden Füllstoffen, Ölen, Harzen sowie Vulkanisations- und Alterungsschutzmitteln bezeichnet. Erst die Verarbeitung und anschließende Vulkanisation machen daraus dauerhaft elastischen und belastbaren Gummi.
In einem modernen PKW-Reifen kommen mehrere Mischungen zum Einsatz. Die Lauffläche – der Bereich mit direktem Straßenkontakt – benötigt andere Eigenschaften als die Reifenflanke oder die luftdichte Innenschicht. Einzelne Inhaltsstoffe lassen sich deshalb nicht unabhängig vom jeweiligen Bauteil bewerten.
Was zeichnet eine gute Gummimischung aus?
Eine gute Mischung ist ein ausgewogener Kompromiss. Sie soll Haftung auf trockener und nasser Fahrbahn bieten, wenig Energie beim Abrollen verlieren, mechanischen Belastungen standhalten und nicht zu schnell verschleißen. Gleichzeitig muss sie innerhalb des vorgesehenen Temperaturbereichs funktionieren und möglichst langsam altern.
Diese Anforderungen stehen teilweise miteinander in Konflikt. Eine Veränderung, die den Nassgrip verbessert, kann beispielsweise den Rollwiderstand oder Verschleiß ungünstig beeinflussen. Auch ein höherer Silica-Anteil oder eine vermeintlich weichere Mischung macht einen Reifen daher nicht automatisch besser. Entscheidend sind unter anderem die Art der Kautschuke, die Füllstoffoberflächen, deren Verteilung in der Mischung, die Bindung zwischen den Stoffen und das Vulkanisationssystem.
Welche Kautschukarten werden verwendet?
Kautschuke bilden die elastische Grundstruktur. In Reifen werden Naturkautschuk und verschiedene Synthesekautschuke kombiniert, weil keine einzelne Kautschukart alle Anforderungen gleichermaßen erfüllt.
Naturkautschuk
Naturkautschuk wird überwiegend aus dem Milchsaft des Kautschukbaums gewonnen. Er ist elastisch, mechanisch belastbar und widerstandsfähig gegen das Weiterwachsen von Rissen bei wiederholter Verformung. Unter starker Dehnung können sich Teile seiner Molekülketten vorübergehend geordnet ausrichten. Dieser als dehnungsbedingte Kristallisation bezeichnete Effekt erhöht die Belastbarkeit an besonders beanspruchten Stellen.
Diese Eigenschaften machen Naturkautschuk unter anderem für Reifenflanken sowie für stark belastete Reifenbereiche wichtig. Auch in bestimmten Laufflächenmischungen, besonders bei Nutzfahrzeugreifen, wird er eingesetzt. Die Reifenflanke ist der seitlich sichtbare Bereich, der sich während jeder Radumdrehung verformt und dabei Lastwechsel aufnehmen muss.
Bei der Verformung von Kautschuk geht ein Teil der eingebrachten Energie als Wärme verloren. Wie stark sich eine naturkautschukhaltige Mischung erwärmt, hängt jedoch von der gesamten Rezeptur, den Füllstoffen, der Vernetzung und der Belastung ab. Naturkautschuk allein garantiert deshalb weder niedrige Wärmeentwicklung noch geringen Rollwiderstand.
Synthesekautschuk
Synthesekautschuke werden industriell hergestellt. Ihre molekulare Struktur lässt sich gezielter einstellen, sodass sie bestimmte Eigenschaften von Naturkautschuk ergänzen können. Wichtige Beispiele sind:
- Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR): Er wird häufig in Laufflächen eingesetzt. Je nach Ausführung und Mischung beeinflusst er unter anderem Haftung, Verschleißverhalten und Verhalten bei verschiedenen Temperaturen.
- Butadien-Kautschuk (BR): Dieser Kautschuk besitzt eine hohe Rückfederungsfähigkeit und bleibt auch bei niedrigen Temperaturen beweglich. In Mischungen kann er beispielsweise Rollwiderstand, Elastizität und Verschleißverhalten beeinflussen. Die Wirkung hängt stark vom Mischungsverhältnis und den verwendeten Füllstoffen ab.
- Butyl- beziehungsweise Halobutylkautschuk: Dieses Material ist für Gase nur wenig durchlässig. Es wird deshalb für die luftdichte Innenschicht schlauchloser Reifen verwendet und hilft, den Reifendruck zu halten.
SBR und BR werden häufig miteinander sowie mit Naturkautschuk kombiniert. Schon eine Änderung ihres Mischungsverhältnisses kann Grip, Festigkeit, Abrieb und Energieverlust unterschiedlich beeinflussen.
Wie wirken Ruß und Silica?
Ruß und Silica sind keine bloßen Streckmittel. Als verstärkende Füllstoffe bilden sie zusammen mit den Kautschukketten Strukturen, die das mechanische Verhalten der Mischung wesentlich bestimmen.
Ruß verstärkt den Gummi
Industrieruß besteht aus sehr kleinen kohlenstoffhaltigen Partikeln. Er erhöht je nach Sorte, Menge und Verteilung unter anderem Festigkeit, Steifigkeit sowie Widerstand gegen Abrieb und Risswachstum. Dadurch wird der Gummi den wiederholten Belastungen beim Beschleunigen, Bremsen und Kurvenfahren besser gewachsen.
Es gibt verschiedene Rußtypen mit unterschiedlichen Partikelgrößen und Oberflächenstrukturen. Sie wirken deshalb nicht alle gleich. Zudem trägt Ruß wesentlich zur charakteristischen schwarzen Farbe heutiger Autoreifen bei.
Silica beeinflusst Nasshaftung und Rollwiderstand
Silica ist eine technisch aufbereitete Form von Kieselsäure. In geeigneten Laufflächenmischungen kann sie dazu beitragen, Nasshaftung und Rollwiderstand günstiger miteinander zu verbinden. Dafür muss sie gleichmäßig verteilt und wirksam an den Kautschuk gekoppelt werden.
Häufig übernehmen Silane die Funktion eines Bindeglieds: Diese Stoffe können Verbindungen zwischen der Silica-Oberfläche und den Kautschukketten unterstützen. Wie gut das gelingt, hängt von Kautschukart, Silica-Typ, Silan, Mischtemperatur, Mischdauer und weiteren Rezepturbestandteilen ab.
Mehr Silica bedeutet daher nicht automatisch mehr Nassgrip oder einen geringeren Rollwiderstand. Eine ungeeignete Menge oder schlechte Verteilung kann die gewünschten Eigenschaften verfehlen. Auch Ruß und Silica werden teilweise gemeinsam eingesetzt, um ihre jeweiligen Stärken zu kombinieren.
Welche Aufgaben haben Öle und Harze?
Öle und Harze werden häufig zusammengefasst, erfüllen aber nicht dieselbe Funktion. Prozessöle erleichtern vor allem das Mischen und Formen, indem sie die Zähigkeit der unvernetzten Mischung beeinflussen. Sie helfen außerdem dabei, Füllstoffe zu verteilen, und verändern Elastizität sowie Temperaturverhalten des fertigen Gummis.
Harze können neben der Verarbeitung auch die Haftung unvernetzter Bauteile während der Reifenherstellung unterstützen. In Laufflächenmischungen dienen bestimmte Harze zudem als gezielte Regler der viskoelastischen Eigenschaften – also des Zusammenspiels von elastischer Rückfederung und innerer Dämpfung. Dadurch können sie Grip, Härte, Abrieb und Rollwiderstand beeinflussen.
Ob ein Harz eher weichmachend oder verstärkend wirkt, hängt unter anderem von seiner chemischen Struktur, seinem Erweichungspunkt, der Kautschukart und der Betriebstemperatur ab. Auch hier ist eine größere Menge nicht grundsätzlich besser.
Wie wird die Alterung verlangsamt?
Sauerstoff, Ozon, Wärme, Licht und wiederholte mechanische Belastungen verändern den Gummi allmählich. Oxidation bezeichnet dabei chemische Reaktionen mit Sauerstoff, die unter anderem durch Wärme beschleunigt werden können. Ozon kann besonders an gedehnten Oberflächen feine Risse verursachen.
Antioxidantien und Ozonschutzmittel sollen solche Prozesse verlangsamen. Je nach Wirkprinzip unterbrechen sie schädliche Oxidationsreaktionen oder reagieren bevorzugt mit angreifenden Stoffen. Schutzwachse können zusätzlich an die Oberfläche wandern und dort eine Barriere bilden.
Alterungsschutzmittel verhindern die Alterung nicht vollständig. Mit der Zeit können Festigkeit und Dehnfähigkeit abnehmen, während Härte und Sprödigkeit zunehmen. Sichtbare Risse, Verformungen oder andere Auffälligkeiten sollten deshalb fachlich beurteilt werden.
Was geschieht bei der Vulkanisation?
Bei der Vulkanisation werden zwischen den langen Kautschukketten chemische Verbindungen erzeugt. Ein typisches Vulkanisationssystem enthält neben Schwefel auch Beschleuniger und Aktivatoren. Beschleuniger steuern und verkürzen die Reaktion; Aktivatoren wie Zinkverbindungen unterstützen die Bildung wirksamer Vernetzungsstellen.
Durch die Vernetzung wird aus der zunächst formbaren Mischung elastischer, dimensionsstabiler Gummi. Der Vernetzungsgrad beschreibt vereinfacht, wie dicht die Kautschukketten miteinander verbunden sind. Er beeinflusst unter anderem Härte, Steifigkeit, Dehnbarkeit, Wärmebeständigkeit und Ermüdungsverhalten.
Zu wenige Vernetzungsstellen können ein weiches und mechanisch wenig stabiles Material ergeben. Eine stärkere Vernetzung erhöht häufig Steifigkeit und Formstabilität, kann aber die Beweglichkeit der Molekülketten begrenzen. Nicht nur die Anzahl, sondern auch die Art der Schwefelverbindungen ist wichtig. Das Vulkanisationssystem muss deshalb ebenso sorgfältig abgestimmt werden wie Kautschuke und Füllstoffe.
Was bedeutet Hysterese beim Reifen?
Beim Abrollen wird der Reifen im Bereich der Aufstandsfläche ständig zusammengedrückt, gedehnt und anschließend entlastet. Da Gummi viskoelastisch ist, gibt er nicht die gesamte für diese Verformung eingesetzte Energie zurück. Ein Teil wird durch innere Reibung in Wärme umgewandelt. Dieser Energieverlust heißt Hysterese.
Die Hysterese trägt wesentlich zum Rollwiderstand bei. Je mehr Energie der Reifen bei jeder Umdrehung verliert, desto mehr Energie muss der Antrieb bereitstellen. Eine möglichst geringe Hysterese wäre für den Rollwiderstand günstig; für Haftung und Dämpfung ist jedoch ein bestimmtes Verformungs- und Energieaufnahmevermögen erforderlich. Gute Mischungen steuern dieses Verhalten gezielt für unterschiedliche Temperaturen und Verformungsgeschwindigkeiten.
Weiche oder harte Gummimischung?
Die Einteilung in weich und hart ist eine starke Vereinfachung. Das Materialverhalten hängt von der Temperatur, der Geschwindigkeit der Belastung, der Rezeptur und dem Vulkanisationsgrad ab. Dieselbe Mischung kann sich bei niedriger Temperatur deutlich steifer verhalten als bei Wärme.
Eine weiche Mischung bietet nicht automatisch viel Grip. Haftung entsteht durch mehrere Mechanismen und wird auch durch Profil, Fahrbahn, Temperatur, Reifendruck und Konstruktion beeinflusst. Ebenso bedeutet eine harte Mischung nicht zwangsläufig eine hohe Laufleistung: Schlechte Füllstoffbindung, ungeeignete Vernetzung oder ungleichmäßiger Abrieb können den Verschleiß erhöhen.
Sommerreifen benötigen bei Wärme ausreichend stabile Mischungen. Winterreifen müssen bei niedrigen Temperaturen elastisch bleiben und arbeiten zusätzlich mit Lamellen – feinen Einschnitten in der Lauffläche. Ganzjahresreifen bilden einen Kompromiss für einen breiteren Temperaturbereich.
Woran lässt sich die Qualität erkennen?
Die Rezeptur ist für Käufer normalerweise nicht einsehbar. Selbst eine Zutatenliste würde wenig helfen, weil Sorte, Menge, Verteilung, Verarbeitung und Wechselwirkungen entscheidend sind.
Das EU-Reifenlabel informiert über Rollwiderstand, Nasshaftung und äußeres Rollgeräusch, bildet aber nicht alle Eigenschaften ab. Unabhängige Reifentests berücksichtigen zusätzlich beispielsweise Trockenbremsen, Fahrstabilität, Verschleiß und Wintereigenschaften. Sie sind deshalb aussagekräftiger als Werbeaussagen über einzelne „Wunderzutaten“.
Häufige Fragen
Ist viel Silica ein Qualitätsmerkmal?
Nicht für sich allein. Silica kann Nasshaftung und Rollwiderstand günstig beeinflussen, muss aber zur Kautschukart und zu den übrigen Bestandteilen passen. Entscheidend sind außerdem seine Verteilung und die Kopplung an den Kautschuk.
Warum bestehen Reifen aus mehreren Gummimischungen?
Die einzelnen Bauteile erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Eine Lauffläche benötigt Grip und Verschleißfestigkeit, die Reifenflanke hohe Biegefestigkeit und die Innenschicht eine geringe Luftdurchlässigkeit.
Ist Naturkautschuk besser als Synthesekautschuk?
Beide besitzen unterschiedliche Stärken. Naturkautschuk ist mechanisch belastbar und widersteht Ermüdungsrissen gut. Synthesekautschuke lassen sich gezielt auf Eigenschaften wie Haftung, Temperaturverhalten oder Luftundurchlässigkeit abstimmen.
Werden alte Reifen automatisch härter?
Alterung führt häufig zu höherer Härte und geringerer Dehnfähigkeit, verläuft aber nicht bei jedem Reifen gleich schnell. Wärme, Sauerstoff, Ozon, Belastung und Lagerbedingungen beeinflussen den Prozess.
Bestimmt die Gummimischung allein den Grip?
Nein. Auch Profilgestaltung, Profiltiefe, Reifenkonstruktion, Temperatur, Fahrbahnzustand und Reifendruck wirken sich auf die Haftung aus. Die Mischung ist ein zentraler, aber nicht der einzige Faktor.