Kautschuk: Elastischer Werkstoff vielseitig einsetzbar

Die enorme Komplexität und Vielfalt an Kautschukmischungen verdeutlicht die außergewöhnlichen Anforderungen, die bei der Herstellung von elastomeren Produkten erfüllt werden müssen. Das Eigenschaftsprofil eines Elastomerbauteils wird aber nicht nur durch die Mischungsentwicklung bestimmt. Auch die Gestaltung des Mischprozesses und die Prozessführung während der Weiterverarbeitung durch Spritzgießen oder Extrusion besitzen einen maßgeblichen Einfluss auf das resultierende Produkt.

Wir forschen auf dem Gebiet der Kautschuktechnologie mit folgenden Schwerpunkten:

  • Kautschukaufbereitung
  • Kautschukextrusion
  • Elastomerspritzgießen
  • Auslegung von Elastomerbauteilen

Hierzu steht unseren erfahrenen Experten ein hervorragend ausgestattetes Technikum mit Innenmischern, Extrudern und Spritzgießmaschinen zur Verfügung.

Aktuelle Forschungsthemen im Bereich Kautschuktechnologie

Seit mehr als 30 Jahren erforschen wir am IKV die komplexe Prozesskette der Kautschukverarbeitung. Dabei profitieren wir in unserer täglichen Arbeit von einem Umfeld, in dem alle wichtigen Verfahren der Kautschuk- und Kunststoffverarbeitung vertreten sind und sich Synergieeffekte geradezu zwangsläufig ergeben.

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines auf Siliconverarbeitung spezialisierten Extruderprototypen. Durch hohe Klebrigkeit, niedrige Viskosität, Tendenz zum Wandgleiten und hohe thermische Empfindlichkeit können Siliconkautschuke nur begrenzt in konventionellen Kautschukextrudern verarbeitet werden. Die hohe Klebrigkeit und niedrige Viskosität verschlechtern das Einzugsverhalten. Daher wird eine spezielle Silicon-Einzugszone für den Prototypen unter Einsatz eines neuartigen Modells zur Beschreibung der Einzugs-Viskosität entwickelt. Aufgrund der hohen Temperaturempfindlichkeit des Materials müssen Temperaturspitzen bei der Verarbeitung vermieden werden. Konventionelle Widerstandsthermoelemente erlauben nur die Temperaturmessung randnaher Schmelzeschichten. Daher wird in diesem Vorhaben die Einsatzfähigkeit innovativer Infrarot-Temperatursensoren zur Messung der integralen Massetemperatur geprüft. Weiteres Ziel dieses Vorhabens ist die Messung und Berücksichtigung des Wandgleitens von Siliconkautschuken bei der Schneckenauslegung. Dazu wird ein physikalisches, parametrisches Modell zur Modellierung des Wandgleitens abgeleitet.

In der industriellen Kautschukextrusion werden kontinuierliche Vulkanisationsverfahren weitgehend basierend auf Erfahrungswissen eingestellt. Primäre Zielgröße ist eine vollständige Vulkanisation, um den hohen Ansprüchen an die Produkteigenschaften, wie Druckverformungsrest, Federkennlinien oder Oberflächenrauheit, gerecht zu werden. Unter anderem durch die hohen Anforderungen an die Vulkanisationsgüte weist die kontinuierliche Vulkanisation einen immensen Energiebedarf auf. Entsprechend groß ist das Potenzial zur Erhöhung der Energieeffizienz. Das IKV erforscht daher, wie die Energieeffizienz bei der kontinuierlichen Vulkanisation erhöht werden kann. Dazu wird zunächst ein Vulkanisationsofen entwickelt, mit dem unterschiedliche Vulkanisationsverfahren (IR, Heißluft, Mikrowelle) sequenziell oder simultan betrieben werden können. Dieser wird anschließend zum Vergleich unterschiedlicher Vulkanisationsverfahren und zur Prozessoptimierung genutzt.

Geschäumte Kautschukdichtprofile kommen derzeit in vielen Anwendungen aufgrund ihrer hohen Materialeffizienz und der gezielt einstellbaren Eigenschaften zum Einsatz. Bis heute ist es allerdings nicht möglich, die mechanischen Eigenschaften eines Dichtprofils prozesstechnisch gezielt zu optimieren. Daher werden am IKV die Wirkzusammenhänge zwischen Prozessparametern, Schaumstrukturen und mechanischen Bauteileigenschaften untersucht, um dadurch geschäumte Kautschukprofile mit definierten mechanischen Eigenschaften extrudieren zu können. So soll während des Prozesses eine Aussage über mechanische Lang- und Kurzzeiteigenschaften des Kautschukprofils ermöglicht und eine größere Prozesssicherheit für den Verarbeiter sichergestellt werden. Weiterhin soll es ermöglicht werden, durch eine gezielt angepasste Schaumstruktur belastungsgerechte Schaumprofile zu extrudieren.

Wasser ist ein für das Schäumen von Polymerwerkstoffen grundsätzlich geeignetes Treibmittel. Im Bereich der Thermoplaste und der thermoplastischen Elastomere existieren hierzu zahlreiche Forschungsarbeiten. Für die Extrusion von Schäumen aus chemisch vernetzten Elastomeren sind jedoch bisher keine wissenschaftlichen Untersuchungen bekannt. Gründe hierfür sind verschiedene bislang ungelöste Problemstellungen, wie die Beeinflussung der Wasserabsorption und -desorption durch zahlreiche Rezepturbestandteile, eine unzureichende Wasseraufnahme sowie die homogene Dispergierung des Wassers in der Matrix. Das IKV untersucht daher die Eignung verschiedener, mit Wasser beladener pulverförmiger Trägersubstanzen, die in die Kautschukmischung eingearbeitet werden. Da die Abstimmung der Vulkanisations- und Treibreaktion einen wesentlichen Einfluss auf die entstehende Schaumstruktur besitzt, werden neben den Rezepturbestandteilen auch die Auswirkungen von Anlagenkonfiguration und Prozessparametern auf Schaumstruktur und Oberflächengüte extrudierter Proben bewertet. 

Konventionell werden Kaltkanäle konstant auf niedrigem Temperaturniveau temperiert. Eine konstante Temperierung schränkt das zur Verfügung stehende Prozessfenster jedoch ein. Kleine Fließquerschnitte haben hohe Druckverluste zur Folge, sodass heutige Elastomerspritzgießmaschinen mit ihrem maximalen Einspritzdruck von max. 2500 bar an ihre Leistungsgrenzen stoßen. Aus diesem Grund wird in diesem Forschungsvorhaben ein variotherm-temperierbares Kaltkanalwerkzeug entwickelt, mit Hilfe dessen während des Formfüllvorgangs die Kautschukschmelze im Kaltkanal gerade soweit erwärmt, dass die Schmelzeviskosität herabgesetzt und gleichzeitig die Vernetzungstemperatur noch nicht überschritten wird. Der Druckbedarf kann aufgrund der reduzierten Schmelzeviskosität gesenkt werden, was eine Anpassung der Fließkanalquerschnitte beziehungsweise eine Reduzierung der Formnestanzahl idealerweise überflüssig macht. Durch die gezielte Beheizung und Kühlung der Katlkanaldüsen sollen Prozessverhalten und Zykluszeit verbessert werden.

Im Projekt „Production Dreams” soll klimaschädliches Kohlendioxid klimafreundlich genutzt werden – als Grundbaustein für Elastomere. Synthetische Elastomere basieren normalerweise auf Erdöl. Bei der Herstellung lassen sich nun in einem Vorprodukt rund 25 Prozent des üblicherweise verwendeten Öls durch CO₂ ersetzen. Das Ergebnis sind sogenannte Polyethercarbonat-Polyurethane, die zu Elastomeren weiterverarbeitet werden können. Die Verarbeitung der CO2-Kautschuke mittels konventioneller Anlagentechnik (Innenmischer, Walzwerk, Spritzgießmaschine, Extruder) wird am IKV untersucht und optimiert. Zusätzlich muss die Compoundrezeptur im Hinblick auf die zu erzielenden Eigenschaften des Elastomerproduktes (z. B. mechanische und rheologische Eigenschaften) angepasst werden. Am Projekt beteiligt sind der Kunststoff-Hersteller Covestro und zwei Partner aus der Wissenschaft: Die RWTH Aachen University mit dem Lehrstuhl für Kunststoffverarbeitung (IKV) und dem Lehrstuhl für Technische Thermodynamik (LTT) sowie die Technische Universität Berlin mit dem Lehrstuhl für Technische Chemie und Mehrphasen-Reaktionstechnik.

Wir erarbeiten Lösungen für die Industrie

Elastomere werden heutzutage meistens zu dichtenden oder dämpfenden Zwecken in Automobilindustrie, Maschinenbau, Elektrotechnik, Bau- und Ausbaugewerbe oder Energiewirtschaft und Medizintechnik eingesetzt. Weiterhin stellen Elastomere den zentralen Werkstoff bei der Reifenherstellung dar.
Die anwendungsnahen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des IKV betrachten den gesamten Produktenstehungsprozess, da nur eine durchgängige Berücksichtigung des Wechselspiels zwischen Rezeptur, Mischprozess, Weiterverarbeitung und Bauteilgeometrie den Erfolg elastomerer Produkte sicherstellen kann. 

Häufige Fragestellungen

Kooperationsprojekte mit unseren Partnern aus der Industrie behandeln oft eine oder mehrere der folgenden  Fragestellungen, für die wir individuelle und unmittelbar umsetzbare Lösungen erarbeiten:

  • Entwicklung funktionaler Compounds und Herstellung von Compounds im Labormaßstab
  • Bauteil-, Werkzeug- und Prozessauslegung mittels Simulation
  • Analyse des Einfluss des Herstellungsprozesses auf die Elastomereigenschaften
  • Machbarkeitsstudien und Bewertung der Verarbeitbarkeit
  • Ermittlung von Verarbeitungseigenschaften
  • Verfahrensentwicklung und -analyse
  • Parameterstudien und Optimierung
  • Verfahrensauswahl

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