25. SEPTEMBER 2016

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Faszination Kautschuk


Werkstoffe - Kautschuk ist mehr als nur Gummi. Im Rohstoff aus der Kautschukpflanze steckt Potenzial für Hochleistung. Die moderne Werkstoffentwicklung kitzelt das Optimum für jeden Anwendungsfall heraus. Was leisten die Entwickler?

Die faszinierenden Eigenschaften des Kautschuks wirken meist im Verborgenen: Kautschuk-Luftfedern gestalten die Reise in Zügen und Bahnen komfortabel, Kautschuk-Dämpferlager absorbieren Schwingungen in Fahrzeugen, Maschinen und Windkrafträdern; Antriebsriemen steuern Motoren und sorgen für angenehmes Klima im Kraftfahrzeug. Karosserieabdichtungen halten Wind und Wasser vom Innenraum ab. Rohstoffe, aus denen wir unsere Energie gewinnen, werden auf Transportbändern aus Kautschuk befördert. Mit permeationsarmen, umweltfreundlichen Kraftstoffschläuchen aus Kautschukverbindungen werden strenge Emissionsverordnungen in der Automobilindustrie erfüllt. Kaum ein Werkstoff ist so vielseitig wie Kautschuk. Denn Kautschuk ist elastisch, abriebfest, thermisch belastbar und umweltfreundlich. Er ist geeignet, um Verbundwerkstoffe mit Gewebe, Metall, Keramik, Glas oder anderen Kunststoffen herzustellen und jeweils für den Anwendungsfall maßgeschneiderte Werkstoffe zu entwickeln. Wesentliches Ziel der Werkstoffforschung ist es, das Material immer spezifischer auf die Anwendung hin zu optimieren. Dabei sind Werkstoffeigenschaften miteinander verknüpft - Materialien, die eine hohe Härte und Festigkeit aufweisen, sind oft spröde und weisen ein hohes Risswachstum auf. Neue Anwendungen werden erschlossen, wenn nicht nur ein optimaler Kompromiss zwischen Festigkeit und Risswachstum erzielt, sondern hohe Festigkeit mit niedrigem Risswachstum kombiniert werden.


Für viele Anwendungen - beispielsweise im Motorraum eines Kfz - werden die Werkstoffe einem weiten Temperaturbereich ausgesetzt. Viele ölbeständige Materialien sind zwar hitzebeständig, weisen aber nur geringe Tieftemperaturflexibilität auf. Auch hier stehen inzwischen neu entwickelte Materialien mit der optimalen Werkstoffcharakteristik zur Verfügung, die Hoch- und Tieftemperaturbeständigkeit kombinieren. Dies geschieht heute durch Legierungen, so genannte ›polymer blends‹, durch Füllstoffe, Weichmacher oder Alterungsschutzmittel. Insbesondere mit Hilfe der Nanotechnologie geben die Werkstoffentwickler dem Kautschuk neue Eigenschaften und ermöglichen neue Einsatzfelder. Denn viele makroskopische Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit, Zugfestigkeit oder Elastizität beruhen auf mikroskopischen Strukturen, die sich aus nanoskaligen Strukturen aufbauen. Um den Werkstoff in seinen kleinsten Einheiten zu verstehen, werden modernste Technologien genutzt. So können mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) Strukturen bis in Dimensionen einiger Nanometer untersucht werden, wobei die lokalen mechanischen Eigenschaften - etwa die lokale Steifigkeit - ortsaufgelöst gemessen werden. Damit ist diese Methode eine wesentliche Grundlage, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der Werkstoffe aufzuklären und Produkte mit maßgeschneiderten Materialeigenschaften zu entwickeln.


Insbesondere bei Verbundwerkstoffen kommt der Analyse von Grenzflächen eine große technische Bedeutung zu: So konnte mit dem AFM nachgewiesen werden, dass Haftsysteme dann besonders effektiv sind, wenn sie als Gradientenwerkstoff aufgebaut sind und so den Steifigkeitssprung zwischen Elastomer und Faser reduzieren. Auch bei höchstverstärkenden Werkstoffen sind Nanostrukturen wichtig. So kann man mit dem Rasterkraftmikroskop nachweisen, welche Nanostrukturen dem Werkstoff eine neue Charakteristik geben. Mit bestimmten Nanostrukturen können Verstärkungseffekte erzielt werden, die sonst nur durch Einbindung von Aramidfasern erreicht werden. Bei gleicher Tragkraft können optimierte Werkstoffe die Durchmesser um bis zu 70 Prozent reduzieren.


Rückschlüsse auf den chemischen Aufbau der Materialien und auf die Eignung für verschiedene Anwendungsfälle erlaubt die dynamisch-mechanische Analyse (DMA). Neue Prüfmethoden ermöglichen es, Polymersysteme in einem breiten Temperatur- und Frequenzbereich zu untersuchen. Hochfrequenzmessungen bis zu 1.000 Hertz sind möglich, um das dynamisch-mechanische Verhalten verschiedener Materialien zu untersuchen. Diese hochfrequenten Laborprüfungen sind bedeutend, da viele Elastomerprodukte bei hohen Frequenzen oder impulsförmig belastet werden.


Der obere Frequenzbereich ist bei den bisherigen Laborprüfungen auf deutlich unter 100 Hz beschränkt, so dass Masterkurven nach dem Temperatur-Frequenz-Äquivalenzprinzip erstellt werden mussten, um das Hochfrequenzverhalten abzuschätzen. Die Messserien sind nicht nur zeit- und kostenintensiv, sondern beschreiben reale Werkstoffe nur näherungsweise. Bei realen Werkstoffen werden Füllstoffsysteme genutzt, um die technischen Anforderungen zu erreichen. Die Beschreibung mit Masterkurven, gilt aber nur für ungefüllte, reine Polymersysteme. Insofern werden diese neuen Prüfmethoden genutzt, um die Werkstoffcharakteristik richtig zu beschreiben. In Verbindung mit Produktprüfungen können so bessere Modelle zur technischen Eignung von Werkstoffen entwickelt werden.


Ruße oder andere Füllstoffsysteme sind keine kostengünstigen Streckmittel, sondern werden mit speziellen Verfahren hergestellt, um gewünschte Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Grenzflächenphänomene zwischen Füllstoff und Polymerketten spielen deshalb in der Werkstoffmodifikation eine wichtige Rolle. So verursacht z.B. eine chemische Anbindung dieser Polymerketten eine verstärkende Wirkung. Auf der anderen Seite führt eine unflexible Anbindung bei dynamischer Belastung dazu, dass sich die Elastomermoleküle nicht orientieren können. Das bewirkt lokale Spannungen, die zu einem frühzeitigen Versagen führen können. Diese Anbindung ist eine weitere Herausforderung der Forscher und Chemiker.


Um Kunststoffe für die Anwendung zu optimieren wird die Oberfläche behandelt. So kann erreicht werden, dass Oberflächen entweder mit Wasser benetzbar oder Wasser abweisend und verschmutzungsarm sind. Diese Eigenschaften erreicht man mit einer wenige Nanometer dünnen Schicht. Ein Beispiel für moderne Oberflächenbehandlung ist die Modifikation des Kautschuks im Atmosphärenplasma, mit dem Karosserieabdichtungen auf ihren Beschichtungsprozess vorbereitet werden. Fertige Profile werden heute nach den Wünschen der Automobilhersteller farbig gestaltet.


Die chemische Struktur im Atmosphärenplasma wird dabei so modifiziert, dass sich die aufgebrachten Lacke fest mit dem Elastomermaterial verbinden. So ergibt sich eine Färbung, die stärksten Witterungseinflüssen stand hält und auch nach Jahren nicht verblasst. Die Wirkungsweise des Atmosphärenplasmas lässt sich mit einem einfachen Beispiel erklären: Auf sauberen und frisch gewachsten Lacken perlen Regentropfen sehr leicht ab, denn die Wachsschicht hat eine sehr geringe Oberflächenenergie, während das Regenwasser eine hohe Oberflächenspannung besitzt. Um diesen Effekt beim Auftragen von Lacken, Klebstoffen oder Farben zu vermeiden, werden die Oberflächenenergie und die Haftungseigenschaften der zu behandelnden Materialien mit Plasma erhöht. Dieses entsteht, indem ein Gas durch Energiezufuhr in reaktive Teilchen, wie zum Beispiel Ionen, Radikale und Elektronen überführt wird. Beim Kontakt mit der Materialoberfläche wird die zugeführte Energie auf diese übertragen und steht dort für weitere Reaktionen zur Verfügung. Wird jetzt ein Lack aufgetragen, ist die Benetzbarkeit wesentlich höher.

Ausgabe:
:K 03/2004
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