TY - THES

T1 - State of the Art Modelle der Reaktionskinetik auf dem Prüfstand

T2 - Experimentelle Validierung der Approximation der Vernetzungskurve auf Basis Dynamisch-Mechanischer Analysemethoden an Kautschukbauteilen

AU - Hornbachner, Michaela

N1 - gesperrt bis 01-06-2024

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Seit geraumer Zeit gewinnen Elastomere zunehmend an Bedeutung in technischen Anwendungen. Umso wichtiger ist es durch Simulationen die Vernetzung vom Kautschuk zum Elastomer genau abzubilden zu können. Die Vernetzungsgeschwindigkeit ändert sich signifikant in Abhängigkeit der Temperatur, bei welcher sie stattfindet. Diese Reaktion kann mithilfe eines Rubber Process Analyzers (RPA) gemessen werden. Dabei wird der Prüfkörper bei einer vorgegebenen Temperatur geschert und das dazu notwendige Drehmoment über die Zeit dargestellt. Durch Normieren dieser Kurven kann der Vernetzungsgrad zu jedem beliebigen Zeitpunkt berechnet werden. Die Normierung des übertragenen Drehmomentes hat allerdings den Nachteil eines Informationsverlustes hinsichtlich der Höhe des Drehmomentes bei unterschiedlichen Isothermen. Dennoch ist diese Methode Stand der Technik und kommt in Simulationsprogrammen zum Einsatz. Der Grad der Vernetzung übt einen direkten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Produkts aus. Bisher ging man davon aus, dass die Vernetzungstemperatur dabei keine wesentliche Rolle spielt. Diese weit verbreitete Annahme wurde im Zuge dieser Masterarbeit wissenschaftlich geprüft. Für die Untersuchungen der Abhängigkeit der Prozesstemperatur und des Einflusses der Normierung wurden zunächst zwei unterschiedliche Materialien ausgewählt. Diese wurden anschließend bei praxisrelevanten Prozesstemperaturen von 140~°C bis 170~°C mit dem RPA hinsichtlich ihres Vernetzungsverhaltens vermessen. Zusätzlich wurden Stützstellen der Vernetzungskurve definiert, sowie anschließend in der Bauteilfertigung mit diesem Vernetzungsgrad Bauteile hergestellt. Durch Druckverformungsrestmessungen (DVR) und Dynamisch-Mechanische Analysen (DMA) wurden an ebendiesen Bauteilen die mechanischen Eigenschaften analysiert. Bei theoretisch gleichem Vernetzungsfortschritt waren hierbei deutliche Unterschiede in den mechanischen Kennwerten in Abhängigkeit der Vernetzungstemperatur messbar. Diese Erkenntnisse liefern den wissenschaftlichen Nachweis über den signifikanten Verlust an Information der Normierung und tragen zu einem verbesserten Verständnis des Kautschukverhaltens bei. Die ermittelten Daten liefern die Basis für ein neues mathematisches Modell, welches in Kooperation mit SIGMA Engineering GmbH und MAGMA Gießereitechnologie GmbH nachfolgend erarbeitet wird.

AB - Seit geraumer Zeit gewinnen Elastomere zunehmend an Bedeutung in technischen Anwendungen. Umso wichtiger ist es durch Simulationen die Vernetzung vom Kautschuk zum Elastomer genau abzubilden zu können. Die Vernetzungsgeschwindigkeit ändert sich signifikant in Abhängigkeit der Temperatur, bei welcher sie stattfindet. Diese Reaktion kann mithilfe eines Rubber Process Analyzers (RPA) gemessen werden. Dabei wird der Prüfkörper bei einer vorgegebenen Temperatur geschert und das dazu notwendige Drehmoment über die Zeit dargestellt. Durch Normieren dieser Kurven kann der Vernetzungsgrad zu jedem beliebigen Zeitpunkt berechnet werden. Die Normierung des übertragenen Drehmomentes hat allerdings den Nachteil eines Informationsverlustes hinsichtlich der Höhe des Drehmomentes bei unterschiedlichen Isothermen. Dennoch ist diese Methode Stand der Technik und kommt in Simulationsprogrammen zum Einsatz. Der Grad der Vernetzung übt einen direkten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Produkts aus. Bisher ging man davon aus, dass die Vernetzungstemperatur dabei keine wesentliche Rolle spielt. Diese weit verbreitete Annahme wurde im Zuge dieser Masterarbeit wissenschaftlich geprüft. Für die Untersuchungen der Abhängigkeit der Prozesstemperatur und des Einflusses der Normierung wurden zunächst zwei unterschiedliche Materialien ausgewählt. Diese wurden anschließend bei praxisrelevanten Prozesstemperaturen von 140~°C bis 170~°C mit dem RPA hinsichtlich ihres Vernetzungsverhaltens vermessen. Zusätzlich wurden Stützstellen der Vernetzungskurve definiert, sowie anschließend in der Bauteilfertigung mit diesem Vernetzungsgrad Bauteile hergestellt. Durch Druckverformungsrestmessungen (DVR) und Dynamisch-Mechanische Analysen (DMA) wurden an ebendiesen Bauteilen die mechanischen Eigenschaften analysiert. Bei theoretisch gleichem Vernetzungsfortschritt waren hierbei deutliche Unterschiede in den mechanischen Kennwerten in Abhängigkeit der Vernetzungstemperatur messbar. Diese Erkenntnisse liefern den wissenschaftlichen Nachweis über den signifikanten Verlust an Information der Normierung und tragen zu einem verbesserten Verständnis des Kautschukverhaltens bei. Die ermittelten Daten liefern die Basis für ein neues mathematisches Modell, welches in Kooperation mit SIGMA Engineering GmbH und MAGMA Gießereitechnologie GmbH nachfolgend erarbeitet wird.

KW - elastomer

KW - curing kinetics

KW - degree of crosslinking

KW - degree of cure

KW - curing kinetic models

KW - EPDM

KW - Ethylene-Propylene-Diene-Rubber

KW - SBR

KW - Styrene-Butadiene-Rubber

KW - Elastomer

KW - Kautschuk

KW - Vernetzung

KW - Vernetzungsreaktion

KW - Vernetzungsgrad

KW - Vernetzungskinetik

KW - Modelle der Vernetzung

U2 - 10.34901/mul.pub.2024.119

DO - 10.34901/mul.pub.2024.119

M3 - Masterarbeit

ER -