Wo finden Sie die Chemie in Ihrem Auto?

Was kann man für den Bau eines Autos verwenden?

Das Herzstück eines Autos ist zwar der Motor, der die Dynamik des gesamten Fahrzeugs weitgehend bestimmt, doch spielen andere Komponenten, darunter die Karosserie, eine nicht minder wichtige Rolle.  Das Material, aus dem sie hergestellt wird, ist eine Kombination aus Wissen und Erfahrung aus Chemie, Physik und Werkstofftechnik. Auch wenn der wichtigste Werkstoff für die Karosserie nach wie vor Stahl ist, werden immer häufiger Verbundwerkstoffe, Polymere, oder sogar recycelte Abfälle verwendet.

Die meisten Karosserieteile sind aus Walzstahl gefertigt. Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff.  Zusätzlich werden Modifikatoren in Form ausgewählter chemischer Elemente wie Kupfer, Mangan, Nickel oder Kobalt zugesetzt, um die Eigenschaften des Endmaterials zu verbessern. Je nach Bauteil des Fahrzeugs hat der verwendete Stahl eine etwas andere Gewichtszusammensetzung, z.B. hat der in den Lagerteilen verwendete Stahl einen niedrigen Kohlenstoffgehalt.  Darüber hinaus haben die Ingenieure Spezialstähle entwickelt, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen, darunter solche, die die gewünschte Zähigkeit oder Festigkeit des Endprodukts gewährleisten.

Für die Herstellung von z.B. Fahrzeugrahmen kann Aluminium verwendet werden.  Die Verwendung dieses Metalls hat im Vergleich zu Stahl gewisse Nachteile, z.B. eine geringere mechanische Festigkeit, aber es ist weniger anfällig für Feuchtigkeit.  Als reines Metall wird es nicht verwendet, sondern nur seine Legierungen. Die Art und Menge der Legierungszusätze hängt von den gewünschten Endeigenschaften ab. Die am häufigsten verwendeten sind Magnesium, Silizium, Kupfer und Mangan. Die verschiedenen Legierungen unterscheiden sich untereinander in ihren Parametern, deshalb müssen sie je nach den Anforderungen an das Endprodukt ausgewählt werden.

Beliebte Konstruktionsmaterialien sind Verbundwerkstoffe. Darunter versteht man Materialien, die aus mehr als zwei Komponenten bestehen. Für die Herstellung von Verbundwerkstoffen für den Bedarf der Automobilindustrie werden sogenannte metallische Matrizen (Eisen und seine Legierungen, Nickellegierungen, Aluminium, Magnesium, Kupfer usw.), keramische Matrizen (Aluminiumoxid, Siliziumnitrid usw.) und polymere Matrizen (hitzehärtbare und chemisch härtbare Harze, thermoplastische Kunststoffe usw.) verwendet. Die am häufigsten verwendeten Verbundwerkstoffe sind Glasfasern. Sie werden durch Hinzufügen eines Polymerfüllstoffs zu den Glasfasern hergestellt. In den letzten Jahren wurde auch der Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen besondere Aufmerksamkeit gewidmet, da sie mehrere Vorteile aufweisen, vor allem eine hohe mechanische Festigkeit.

Kraftstoffe und Schmiermittel

Kraftstoffe und Schmiermittel sind weitere Komponenten, die in der Automobilindustrie eine sehr wichtige Rolle spielen. Auch hier kann man viele chemische Verbindungen finden.

Kraftstoffe

Das Wichtigste bei Kraftstoffen sind ihre Eigenschaften.  Diese hängen direkt von ihrer chemischen Zusammensetzung ab. Kraftstoffe sind hauptsächlich Kohlenwasserstoffprodukte mit Beimischungen anderer Elemente.

• Benzin – ist ein flüssiges Gemisch aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen, das im Rektifikationsverfahren aus Rohöl gewonnen wird. Außerdem enthält Benzin ungesättigte Kohlenwasserstoffe (mit Mehrfachbindungen in ihren Molekülen) und aromatische Kohlenwasserstoffe (mit Benzolringen). Zur Verbesserung der Eigenschaften werden außerdem so genannte Antiklopfmittel zugesetzt, bei denen es sich um ausgewählte chemische Verbindungen handelt. Ihr Gesamtgehalt beträgt in der Regel nicht mehr als 1%. Ein wichtiger Parameter, der die Qualität des Benzins bestimmt, ist die Oktanzahl.  Ihr Wert kennzeichnet die Fähigkeit des Kraftstoffs, effizient zu verbrennen. Standardmäßig ist an Tankstellen Benzin mit einer Oktanzahl von 95 und 98 erhältlich.
• Diesel – ist ein Kraftstoff, der durch die Destillation von Rohöl gewonnen wird. Diesel besteht aus Naphthen-, Paraffin- und aromatischen Fraktionen. Das Rohprodukt enthält eine beträchtliche Menge an Schwefel, was äußerst ungünstig ist. Aus diesem Grund wird er im Verfahren der Hydrodesulfurierung entfernt. Die Qualität von Dieselkraftstoff wird durch die so genannte Cetanzahl bestimmt. Dies ist ein Parameter, der die Fähigkeit des Diesels zur Selbstentzündung angibt. Sie ist eng mit der chemischen Zusammensetzung verknüpft. Je höher der Wert, desto leichter lässt sich ein kalter Motor bei gleichzeitig möglichst geringen Abgasemissionen starten.
• LPG und CNG – das sind zwei Gasarten, die in der Autoindustrie verwendet werden. In Autos werden am häufigsten LPG-Anlagen verwendet. Dieses Gas ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, die aus Erdöl gewonnen werden. Es besteht hauptsächlich aus Propan und Butan. Seine Vorkommen begleiten das Erdöl und es wird zusammen mit diesem gewonnen. Ein Teil des LPG wird als Nebenprodukt der Rohölverarbeitung gewonnen. CNG steht für komprimiertes Erdgas, das aus Bohrlöchern gewonnen wird. Es handelt sich um Erdgas, d.h. hauptsächlich um Methan. Darüber hinaus kann es in geringen Mengen Stickstoff, Ethan oder Propan enthalten. Der Gehalt der einzelnen Komponenten hängt von der Gaslagerstätte ab.

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Schmiermittel

Auch Schmiermittel sind für Kraftfahrzeuge wichtig. Sie erfüllen eine Reihe von Funktionen bei der Kontrolle der Reibung und des Verschleißes der einzelnen Komponenten. Außerdem schützen Schmiermittel den Motor vor Korrosion, sorgen für die richtige Kolbentemperatur und vieles mehr.

Eine allgemeine Klassifizierung von Schmiermitteln, die in der Automobilindustrie verwendet werden, umfasst:

• Motoröle – sind Schmiermittel, die den Schutz des Motors gewährleisten. In der großen Mehrheit bestehen sie aus einem Basisöl, der Rest sind Additive, die ihre Eigenschaften beeinflussen. Die Basis bilden in der Regel Mineralöle, die ein Gemisch aus flüssigen Kohlenwasserstoffen sind, die bei der Verarbeitung von Rohöl anfallen. Als Additive werden Tenside verwendet, die als Emulgatoren, Viskositätsmodifikatoren und Korrosionsschutzmittel fungieren.
• Getriebeöle – ihre Hauptfunktion ist die Verringerung der Reibung zwischen den ineinandergreifenden Teilen. Der Hauptbestandteil ist das Basisöl, d.h. Mineral- oder Synthetiköl. Der Rest besteht aus verschiedenen Zusätzen.
• Plastische Schmiermittel – werden an den Verbindungen beweglicher Teile (Lager, Gelenke usw.) verwendet. Die Struktur der plastischen Schmiermittel ähnelt einem Gerüst aus einem Verdickungsmittel (in der Regel sind es einfache Seifen, Wachse, Polymere oder hydrolysiertes Siliziumdioxid), in dem sich ein Öl befindet. Die große Volumenphase der Schmiermittel ist die Dispersionsphase, die aus mineralischen oder synthetischen Ölen, Polyglykolen, Estern oder flüssigen Silikonen besteht. Außerdem werden veredelnde Zusatzstoffe wie Metallpulver, Teflon oder Molybdändisulfid verwendet. Die Zusammensetzung von plastischen Schmiermitteln kann je nach Hersteller, Eigenschaften und Verwendungszweck stark variieren.

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Die galvanische Zelle für Fahrzeuge, also die Batterie

Eine Batterie ist eine reversible, elektrochemische Energiequelle. In Autos ist sie für die Speicherung von Energie zuständig, die z.B. zum Betrieb aller Geräte und Systeme des Fahrzeugs oder zum Anlassen des Motors verwendet werden kann. In jeder Zelle finden chemische Reaktionen statt, die eine Quelle für Elektronen sind.  Die sich bewegenden Elektronen sind der elektrische Strom.  Der grundlegende Batterietyp in Autos ist die Blei-Säure-Batterie.

Batterien sind sehr „chemische“ Geräte. Sie bestehen aus einer Gruppe von Zellen, die in Reihe miteinander verbunden sind. Sie befinden sich in getrennten Kammern eines Gehäuses aus säurebeständigem Material.  Eine einzelne Zelle besteht aus positiven und negativen Platten, die abwechselnd angeordnet sind. Die positive Elektrode besteht aus Bleidioxid und die negative Elektrode aus porösem Blei. Das Grundgerüst jeder Platte ist ein Gitter aus einer Blei-Kalzium-Legierung. Die neuesten Batterien enthalten außerdem ein weiteres chemisches Element, nämlich Silber.  Es erhöht die Widerstandsfähigkeit des Geräts gegenüber zyklischer Arbeit und hohen Temperaturen des Elektrolyts.  Die Plattenabstandshalter in der Batterie bestehen dagegen aus Polyethylen. Der Raum zwischen den Platten ist mit einer 37%igen wässrigen Lösung von Schwefel(VI)-säure gefüllt.

Das Funktionsprinzip der Batterie beruht auf einer chemischen Reaktion.  Das Wasser in der Lösung der Schwefel(VI)-säure verursacht eine Spaltung (Dissoziation) ihrer Moleküle in Wasserstoffionen und Säurereste, die beim Laden und Entladen der Batterie zwischen den positiven und negativen Platten transportiert werden. Wenn die Batterie an einen Stromverbraucher angeschlossen wird, dann fließt Strom durch den Elektrolyten. Die chemische Zusammensetzung der Elektroden ändert sich und es bildet sich Bleisulfat, d.h. die Batterie wird entladen. Die Wiederaufladung erfolgt durch Umkehrung des gesamten Prozesses. Wenn ein Strom von einer externen Quelle, z.B. einem Gleichrichter, durchgeschaltet wird, wandelt sich das Bleisulfat wieder in Bleidioxid und poröses Blei um. Während des Ladevorgangs findet auch die Spaltung, d.h. Elektrolyse, von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff statt.

Autopflegeprodukte

Man muss niemanden davon überzeugen, dass Autopflege extrem wichtig ist. Sie hält das Auto nicht nur sauber und ordentlich, sondern trägt auch dazu bei, die Lebensdauer einer Reihe von Zubehörteilen zu verlängern. Die für die Autopflege verwendeten Präparate werden gemeinhin als Autopflegechemie bezeichnet.

Zu den Produkten der Autopflegechemie zählen vor allem:

• Pflegemittel für Autokarosserien,
• Pflegemittel für die Polsterung,
• Pflegemittel für das Armaturenbrett,
• Mittel zur Pflege mechanischer Teile.

In der Zusammensetzung der oben erwähnten Produkte befinden sich zahlreiche chemische Substanzen. Deren Art und Menge hängt von der Endverwendung ab.  Karosseriewasch- und -pflegemittel, d.h. Shampoos, enthalten beispielsweise hauptsächlich Tenside (oberflächenaktive Stoffe) in ihrer Zusammensetzung. Diese sind für die wirksame Entfernung von Verunreinigungen verantwortlich. Zu diesen Substanzen können Verbindungen mit INCI-Bezeichnungen wie Sodium Lauryl Sulphate oder Coco Dieathanolamide gehören.  Darüber hinaus werden häufig Natriumchlorid und Isopropylalkohol verwendet. Alkohole werden insbesondere in Präparaten zur Reinigung und Pflege von Autoscheiben verwendet. Sie erleichtern die Entfernung von Verunreinigungen und verdunsten außerdem schnell, so dass sie keine Schlieren hinterlassen. Polstermöbel- und Armaturenbrettreinigungsmittel enthalten hauptsächlich Substanzen mit reinigenden und entfettenden Eigenschaften sowie Tenside und Wachse. Als Zusatzstoffe werden Duftstoffe verwendet.

Siehe fertige chemische Formulierungen für die Autopflegeindustrie.