Einfluss der Vernetzung und von Füllstoffen auf diffusionsbestimmte Alterungsprozesse

Abstract

Ein umfassendes Verständnis der Zusammenhänge von Alterungsprozessen und der Lebensdauer von Elastomerbauteilen ist von großem Interesse. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte der Einfluss der Vernetzung und der Füllstoffe auf die Alterung untersucht werden. Diesbezüglich soll ein Beitrag zum Verständnis der komplexen parallel ablaufenden Mechanismen thermisch-oxidativ verursachter und diffusionsbestimmter Alterungsvorgänge in Elastomeren geleistet werden. Für die Untersuchung des Alterungsverhaltens von Rohkautschuken wurden die Kautschuke IR (Polyisopren), NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk) und ACM (Acrylatkautschuk) unter den Aspekten unpolar-ungesättigt, polar-ungesättigt und polar-gesättigt ausgewählt. Zudem wurden Modellvulkanisate unter Variation der Vernetzung (Vernetzungssysteme und Vernetzungsdichte), des Acrylnitril-Gehalts und des Füllstoffes (Füllgrad und Art des Füllstoffs) systematisch mittels chemisch-analytischer und physikalischer Methoden auf ihr thermisch-oxidatives Alterungsverhalten untersucht. Als Füllstofftypen kamen Ruß, Silica und CNTs (Kohlenstoff-Nanoröhren) zum Einsatz. Es wurden Langzeitalterungen bei 100 °C im Umluftwärmeschrank von bis zu 1000 Stunden durchgeführt. Außerdem wurde eine beschleunigte thermisch-oxidative Alterung unter reiner Sauerstoffatmosphäre in der Chemilumineszenz (CL) und in der Thermogravimetrischen Analyse (TGA) eingesetzt. Zur Quantifizierung der Sauerstoffaufnahme wurde die Methode der isothermen TGA-Messungen optimiert. Darüber hinaus war es von Interesse, mögliche Korrelationen zwischen den Ergebnissen chemisch-analytischer und physikalischer Methoden zu erforschen. Zudem wurde eine ortsabhängige Charakterisierung des DLO-Effekts (Diffusionslimitierte Oxidation) u.a. mittels Indentormessungen durchgeführt. Die Stabilität extrahierter Polymere nimmt bei höherer Sättigung der Hauptkette systematisch zu. Für die Modellvulkanisate wurde eine Abhängigkeit der Alterungsstabilität von der Vernetzungsdichte gefunden. Die Alterung beginnt bei höheren Vernetzungsdichten früher und dauert zudem länger an. Bei Variation des Acrylnitril-Gehalts bei gleichem Anteil an Schwefel und Beschleuniger steigt die Alterungsstabilität der Materialien mit höherem ACN-Gehalt der NBR-Kautschuke an und die isothermen TGA-Messungen wiesen auf eine geringere Sauerstoffaufnahme mit höherem Acrylnitril-Gehalt hin. Der Einfluss der Füllstoffe zeigte mit zunehmenden Silicagehalt einen Anstieg der Stabilität gegenüber thermisch-oxidativer Alterung. Für ruß- und CNT-haltige Proben wurde eine höhere Alterungsbeständigkeit im Vergleich zu ungefüllten Materialien gefunden. Die Korrelation von CL- und NMR-Daten mit den physikalischen Eigenschaften nach der Alterung zeigt deutliche Abhängigkeiten der Messgrößen voneinander auf. Die ortsauflösenden Indentormessungen an 10 mm dicken Proben des NBR 3 zeigten, dass die diffusionslimitierte Oxidation nach 1000 Stunden Voralterung bis zu 3 mm in die Probe stattgefunden hat. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zum grundlegenden Verständnis der relevanten Abhängigkeiten von Alterungsprozessen in Kautschuken und Elastomeren bei.