Verbesserung der Reibungs- und Verschleißeigenschaften von Elastomeren durch neuartige Nano-Füllstoffe auf Carbon-Basis

BMWi IGF 20589 BG | Laufzeit: 03.2019 – 05.2021 Andrej Lang, DIK Hannover; Martin Strangfeld, Diana Voigt, FILK Freiberg
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Ausgangssituation

Bei der Reibung von Elastomeren auf trockenen Substraten treten oft große Reib­werte und damit verbundene Reib­instabili­täten auf, die zu unerwünschter Geräusch­entwicklung und starkem Abrieb führen können. Deshalb werden Gummi­materialien, wie z. B. Fahrzeug­dichtungen, zur Reduzierung des Reib­koeffi­zienten in mehreren Schritten mit einem Gleit­lack versehen oder halogeniert und beflockt. Diese Verfahren sind jedoch mit der Verwendung umwelt­gefährlicher Substanzen und/oder zusätzlichen Arbeits­schritten und damit höheren Herstellungs­kosten verbunden. Darüber hinaus sind Reib­instabili­täten vor allem bei alternden Gummi­werk­stoffen zu beobachten, welche auf Grund von Weichmacher­verlusten und anderen Alterungs­mechanismen aushärten und ihre Flexibilität im Kontakt mit anderen Substraten verlieren (z. B. Scheiben­wischer oder Druck­walzen).

Projektziel

Ziel des Projektes war deshalb die Entwicklung von reibungs­armen und alterungs­stabilen Elastomer­kompositen auf Basis neuartiger, schicht­förmiger Nano-Füllstoffe (Graphen-Nanoplatelets), die eine intrinsische Schmierung und mit Ruß vergleichbare Verstärkungs­eigenschaften aufweisen.

Lösungsweg

Voruntersuchungen hatten gezeigt, dass die Trocken­reibung von Elastomeren auf rauen und glatten Substraten (rauer Granit, Stahl, Glas) durch Graphen-Nanoplatelets deutlich reduziert wird, was auf die Ausbildung eines Schmier­films beim Reib­prozess zurückgeführt werden konnte. Eine Verbesserung der Alterungs- und Verschleiß­festigkeit sollte zudem durch Minimierung der alterungs­bedingten Weichmacher­verluste, mittels Aufbau einer Diffusions­barriere durch Orientierung der schicht­förmigen Nano-Füllstoffe, erreicht werden. Mit dieser Methode konnte in Vorversuchen bereits eine deutliche Verbesserung der Gasdichtigkeit solcher Komposite demonstriert werden. Der Lösungsweg war daher in neun Arbeitspakete unterteilt:

  • Herstellung von Modellmischungen mit neuartigen Carbon-Füllstoffen (DIK)

  • Herstellen beschichteter Proben als Referenz (FILK)

  • Bestimmung der physikalischen Eigenschaften der Modellmischungen (DIK/FILK)

  • Charakterisierung der Barriere-Eigenschaften und Alterungsbeständigkeit (DIK/FILK)

  • Reibversuche bei stationären Gleitgeschwindigkeiten (DIK)

  • Stick-Slip-Reibmessungen bei variabler Geschwindigkeit (FILK)

  • Bestimmung des Verschleißverhaltens (DIK/FILK)

  • Quellungsmessungen zur Charakterisierung der Barriere-Eigenschaften (FILK)

  • Numerische Reibsimulationen und Anpassung an experimentelle Daten (DIK)

Ergebnisse | Nutzen

Elastomermischungen wurden mit neuartigen, schicht­förmigen, carbon­basierten Füllstoffen verstärkt – sogenannte Graphen-Nanoplatelets (GnPs), die typisch nur einige Nanometer dick aber mehrere Mikrometer breit sind. Dadurch lassen sich anisotropische Effekte erzielen und steuern. Es konnte gezeigt werden, dass die Diffusion von Quell­mitteln oder Gasen (Sauerstoff) durch das Elastomer­material teilweise deutlich reduziert werden kann. Eine alterungs­bedingte Verhärtung des Materials konnte nur auf die oberen Schichten des Materials reduziert werden. Die diffusions­limitierte Oxidation aufgrund der Diffusions­barriere durch den Einsatz von GnPs sorgte dafür, dass die Alterung im Inneren der genutzten Proben ab einer Tiefe von 400 – 500 µm nicht mehr auftrat.

Eine weitere wesentliche Erkenntnis war die Reib­reduzierung beim Einsatz von GnPs als Füll­stoff in elastomeren Materialien. Je nach Menge und Art der GnPs sowie bei unterschiedlichen Reib­bedingungen (Reibpartner, Temperatur, Last etc.) konnte eine teilweise starke Reduzierung der Reib­kräfte forciert werden. Damit können solche Elastomer­materialien unter bestimmten Bedingungen ohne Flüssig­schmier­stoffe betrieben werden. Reib­simulationen konnten dies bestätigen und Hinweise dafür liefern, dass eine Ausbildung eines Kohlenstoff­schmier­films durch GnPs vorliegt.

Die erfolgreich umgesetzten Projekt­ziele sind besonders für Zulieferer für Automobil­industrie, Maschinenbau und Transport­wesen, aber auch für die Textil­verarbeitende Industrie und einen überwiegenden Teil der Kunststoff­verarbeiter von Nutzen.

   

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Danksagung

Das Forschungsvorhaben Nr. 20589 BG der Forschungs­vereinigung Deutsche Kautschuk-Gesellschaft e. V., Zeppelinallee 69, 60487 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschafts­forschung (IGF) vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir danken für die gewährte Unter­stützung.

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