Kurzfaserverstärkte Silikonelastomere
Projektleiter: Monika Nicolai
Projektnummer: BMWi / INNO-KOM-Ost, MF 140065
Laufzeit: 01. 01. 2014 – 28. 02. 2017
Aufgabenstellung
Festigkeitsträger sind gerade für Artikel aus Silikonkautschuk häufig unabdingbar. Meist dienen textile Gewebe als Verstärkungsmaterial. Nachteilig ist hier, dass man beim Design neuer Produkte von vornherein auf bestimmte Fertigungsprozesse und Eigenschaften hin festgelegt ist; in einigen Anwendungen können derartige Strukturen bei hohen dynamischen Belastungen auch versagen. Daneben werfen insbesondere feingliedrige Produkte mit Gewebeverstärkung verschiedene technologische Probleme auf. Eine Alternative bietet die Integration von kurzen Fasern in das Elastomer. Voraussetzungen sind allerdings eine gute Verteilung und Vereinzelung der Fasern sowie eine hinreichende Faser/Matrix-Haftung.
In einem gemeinsamen Projekt von TITK und der Firma Woco (Bad Soden-Salmünster) ging es darum, technisch umsetzbare Lösungen für diese Probleme zu finden.
Ergebnisse
Tatsächlich gelang es, Fasern über eine kombinierte Verarbeitung im Innenmischer und auf dem Walzwerk (angepasst an den jeweiligen Compound) homogen zu dispergieren. Auffälligster Effekt der zugesetzten Fasern sind hohe Steigerungen der Spannung (bei niedrigen Dehnungen) und der Härte. Dieser Effekt hängt von der Art, der Menge, der Feinheit und der Länge des Kurzschnitts ab. Mit Aramid unterschiedlichster Aufmachung konnte die Steifheit von Silikonelastomer um den Faktor 3…12 erhöht werden – im Gegensatz zu anderem Kurzschnitt bei weitgehend konservierter Reißfestigkeit/-dehnung.
Auch Fasern auf Basis Polyester und Polyamid bieten ein interessantes Potential; kommerziell verfügbarer Carbonfaser-Schnitt ist ungeeignet. Im Vergleich verschiedener Silikontypen genügen bereits geringe Zusätze an Kurzschnitt, um die Steifheit einer härteren Type einzustellen. Vielfältige Untersuchungen zeigten, dass einige Haftvermittler die Faser/Matrix-Anbindung deutlich steigern. Im Rahmen einer umfangreichen Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Woco wurde die grundsätzliche technische Überführbarkeit nachgewiesen.
Anwendung
Elastomerbauteile findet man in allen Bereichen der Technik und des Alltags. Deren typische Funktionen sind die robuste Überbrückung von räumlichen Distanzen, die Dämpfung mechanischer Schwingungen, die Abdichtung oder die Kraftübertragung. Massenkautschuke wie Naturkautschuk, SBR, NBR oder BR versagen bei Belastungen durch hohe Temperaturen sowie in Verbindung mit aggressiven Medien; für solche Einsatzfälle muss man auf Spezialelastomere mit einer geringeren Reaktivität zurückgreifen.
Ein ganz besonders widerstandsfähiges Material, das sich durch thermische Stabilität und Flexibilität, sehr gute Alterungs- und Witterungsbeständigkeit, elektrisch isolierende Eigenschaften, gesundheitliche Unbedenklichkeit sowie biologische Intertheit auszeichnet, ist hierbei Silikonkautschuk.
Man erwartet, dass der Silikonkautschuk gerade im Automobil eine noch größere Bedeutung gewinnt: Neuentwicklungen führen meist dazu, dass es im Motor enger und heißer wird. Immer wichtiger wird auch die mechanische Beständigkeit, z.B. von Schwingungstilgern und Dämpfungselementen. Rechnet man mit höheren mechanischen Belastungen, so muss das Silikonbauteil mit anderen Werkstoffen kombiniert werden. Die Alternative der Kurzfaser-Verstärkung bewirkt eine extreme Versteifung des Elastomers bereits mit sehr geringen Anteilen an Kurzschnitt, bietet das Potential der anisotropen Verstärkung sowie einer hohen Produktivität in der Fertigung.
Im Projekt wurden Lösungen vorbereitet, Kurzfasern in der Silikonmatrix gleichmäßig zu verteilen und dort so fest zu verankern, dass sich die Eigenschaften der Fasern vollständig in den Verbundwerkstoff übertragen.