Herstellung, Charakterisierung und Formgebung magnetoaktiver thermoplastischer Elastomere fokussiert auf Anwendungen in der Sensorik und Aktorik

Ziel des Projektes war es, neue magnetoaktive Elastomerkomposite auf Basis von thermoplastischen Elastome­ren (TPE) für Anwendungen in der Magnetoaktorik zu entwickeln, die eine möglichst hohe Magnetisierung, einen geringen E-Modul und geringe magnetische und mechanische Verluste aufweisen. Die magnetoaktiven Kompo­site, die aufgrund der molekularen Partikel-Matrix-Wechselwirkung eine einstellbare mechanische Nachgiebigkeit und Deformationsfähigkeit zulassen, bilden die werkstoffseitige Grundlage für den Einsatz in Effektor- und Sen­sor-Systemen. Hierin bieten sie durch Multifunktionalität bzw. funktionserforderliche Adaption Lösungskonzepte, die eine Erweiterung gegenüber konventionellen Systemen darstellen.

Ergebnisse

Das Einmischen und Dispergieren der magnetischen Partikel in die Elastomerschmelze erfolgt in einem Doppel­schneckenextruder. Als Magnetmaterial wurde weichmagnetisches Carbonyleisen-Pulver (CIP, mittlerer Partikel­durchmesser 3,9 - 5 µm) und als Matrix wurden TPEs mit verschiedenem E-Modul verwendet. Der Füllgrad be­trug zwischen 40 und 80 Masse%. Auf diese Weise wurden homogen dispergierte Komposite mit einem resultie­renden E-Modul von 0,1 – 40 MPa und einer magnetischen Suszeptibilität bis c ≈ 4 realisiert. Zugprüfungen im Magnetfeld zeigen eine Zunahme des E-Moduls mit der Magnetfeldstärke, die bei den hochgefüllten Kompositen (80 Masse % Fe) Werte bis zu 90 kPa/mT erreicht. Dieser Versteifungseffekt beruht auf der Dipol-Dipol-Wech­selwirkung der Magnetpartikel.

Bringt man einen schlanken Formkörper (Faser, zylindrischer Stab o.ä.) in ein homogenes Magnetfeld (Längs­achse senkrecht zum Magnetfeld), so erfährt dieser auf Grund der Formanisotropie ein Drehmoment, infolge dessen er sich in Richtung des Magnetfelds verbiegt. Diesen Effekt kann man für aktorische Zwecke nutzen. Je nach Füllgrad, E-Modul und Aspektverhältnis sind für die Bewegungserzeugung Feldstärken von ca. 10 mT bis 400 mT erforderlich.

Anwendung

Die so erhaltenen magnetoaktiven Elastomere können mit etablierten Kunststoffverarbeitungsverfahren wie Extrusion, Faserspinnen und Spritzguss, die sich prinzipiell später auch für eine eventuelle großtechnische Fertigung eignen, zu den gewünschten Aktorgeometrien verformt werden. Denkbare Anwendungen sind magnetisch berührungslos gesteuerte Ventile, Pumpen, Mischer und Filter. Belegt man eine Oberfläche mit Fasern, so können mittels Magnetfeld z.B. die Strömungseigenschaften variiert werden.