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.

Zur Nachhaltigkeitssteigerung bei Kautschuken wird ein Verfahren entwickelt, um Kohlenstoffdioxid (CO2) in das Makromolekül des Kautschuks einzubauen. Bereits bei der Kautschukherstellung können Ressourcen durch die partielle Rohstoffsubstitution eingespart werden. Die Materialeigenschaften und das Verarbeitungsverhalten der neuartigen CO2-Kautschuke sind bisher nicht ausreichend wissenschaftlich erforscht. Um die neu entwickelten CO2-Kautschuke auf dem Markt zu etablieren ist es wichtig, die Prozessfähigkeit mit verbreiteten Weiterverarbeitungsverfahren zu untersuchen.

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung von Prozess Know-how entlang der gesamten Verarbeitungskette. Neben der Mischungsherstellung auf einem Innenmischer stehen die Formteilherstellung im Extrusions- bzw. Spritzgießverfahren im Fokus der Untersuchungen.

Der neu entwickelte, CO2 basierte Kautschuk kann durch eine Anpassung der Mischungsrezeptur auf konventionellen Innenmischern verarbeitet werden. Insbesondere Talkum ist als Füllstoff bei der Verarbeitung des stark haftenden Kautschuks geeignet. Talkum bewirkt gleichzeitig eine Verbesserung der mechanischen Produkteigenschaften. Insgesamt liegen die mechanischen Eigenschaften im Bereich von etablierten Kautschuken. In der Weiterverarbeitung des CO2 basierten Compounds wurde als Prototypenbeispiel ein Dornhalterwerkezug zur Ausbildung eines elastomeren Hohlkörperstranges erfolgreich eingesetzt. Als Prototypenbauteil soll im Elastomerspritzgießverfahren ein multifunktionaler Plattenprobekörper hergestellt werden, welcher neben Wanddickensprüngen auch mehrere Bindenahtstellen aufweist. 

Durch Chargenschwankungen von Kautschukmischungen besteht das Risiko beim Elastomerspritzgießen fehlerhafte Bauteile und somit Ausschuss zu produzieren. Die Schwankungen werden oftmals erst während der Qualitätskontrolle der Bauteileigenschaften bemerkt und können nicht mehr ausgeglichen werden.

Daher soll eine Methodik zur Detektion von Chargenschwankungen auf Basis von Druckdifferenzmessungen im Angusskanal mithilfe eines Inline-Rheometer sowie Strategien zur prozesstechnischen Kompensation der Chargenschwankungen entwickelt werden. Um Letzteres zu erreichen werden die Wirkzusammenhänge zwischen den Messgrößen des Inline-Rheometers, der Prozessparameter und der Chargenschwankungen ermittelt. Zusätzlich wird im Rheometer ein dielektrischer Sensor zur Messung der Ionenviskosität eingesetzt. Der Messwert ermöglicht Rückschlüsse auf den Vernetzungszustand der Schmelze und somit die Detektion unerwünschten Anvernetzens.

Der aktuelle Forschungsschwerpunkt liegt auf der Entwicklung des Inline‑Rheometers. Eine Herausforderung stellt die Auslegung der Fließkapillare dar. Während für die Viskositätsmessung der Druckverlust im Messkanal nicht zu niedrig sein darf, verhindert ein zu hoher Druckverlust das vollständige Füllen der Kavitäten des angeschlossenen Werkzeugs.

Geschäumte Elastomererzeugnisse werden mit chemischen Treibmitteln hergestellt, die von der Europäischen Chemikalienagentur ECHA als besonders besorgniserregend (SVHC) eingestuft sind und somit vor einer Regulierung durch die EU stehen. Als Alternative zu chemischen Treibmitteln wird Wasser als physikalisches Treibmittel erforscht.

Angebunden an hygroskopische Trägersubstanzen oder in kristalliner Form wird Wasser in die Kautschukmischung eincompoundiert sowie in nachfolgenden Verarbeitungsschritten extrudiert und vulkanisiert. Die physikalische Treibreaktion wird durch das Verdampfen des Wassers initiiert und findet, wie beim chemischen Schäumen, in der Vulkanisationseinheit statt. Bei der sich ausbildenden Schaumstruktur stehen Vulkanisationskinetik und Treibreaktion in Wechselwirkung, sodass Mischungsrezeptur und Verarbeitungsprozess aufeinander abgestimmt werden müssen, um vorgegebene Qualitätsmerkmale zur erreichen.

Am IKV wurden EPDM- und NBR-Mischungsrezepturen für das Schäumen mit Wasser als physikalisches Treibmittel dahingehend optimiert, dass feinzellige Moosgummiprofile mit glatter Oberfläche und niedrigen Verformungsresten mittels Heißluft-, Infrarot- und Mikrowellenvulkanisation hergestellt werden können.

Der charakteristische Aufbau dreischichtiger Medienleitungen aus Kautschuk wird heute üblicherweise in einem ressourcen- und kostenintensiven, mehrstufigen Extrusionsverfahren (Dornverfahren) realisiert. Eine Alternative hierzu kann die Herstellung elastomerer Hohlkörper mittels der Projektilinjektionstechnik im Spritzgießverfahren sein.

Das Forschungsvorhaben hat vor diesem Hintergrund das Ziel, die Projektilinjektionstechnik so weiterzuentwickeln, dass elastomere Hohlkörper aus rußgefüllten Kautschukmischungen mittels PIT hergestellt werden können. Dadurch soll es besonders für kmU in der kautschukverarbeitenden Industrie mit vermindertem Risiko möglich werden, die PIT-Technologie für die Herstellung von medienführenden Leitungen einzusetzen und damit das konventionelle Dornverfahren zu ersetzen.

Um das Forschungsziel erreichen zu können, muss im ersten Schritt eine Mischungsrezeptur basierend auf einem rußgefüllten Kautschuk entwickelt werden, die mit der PIT verarbeitbar ist und die materialspezifischen Anforderungen an Kühlwasser- bzw. Ölschläuche erfüllt. Anschließend werden umfangreiche verfahrenstechnische Untersuchungen durchgeführt, um die Prozessfähigkeit des Materials zu überprüfen. Dazu müssen Mischungsbestandteile sowie deren Anteile beim Compoundieren variiert und prozessbestimmende Parameter wie der Fluidvolumenstrom oder die Fluidtemperatur variiert werden, um Wirkzusammenhänge und Einflussgrößen zu ermitteln.

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.

Zur Herstellung von Kautschukmischungen werden meist diskontinuierlich arbeitende Innenmischer verwendet. Um die Mischwirkung von Innenmischern zu verbessern, gibt es unterschiedliche Ansätze. Problematisch für alle Herangehensweisen ist, dass die Fließvorgänge infolge des geschlossenen Aufbaus der Mischkammer nicht unmittelbar beobachtet werden können. Zudem ist die erforderliche empfindliche Messtechnik nicht uneingeschränkt einsetzbar, da punktuell hohe Drücke in der Mischkammer entstehen und häufig abrasive Füllstoffe in Kautschukmischungen eingesetzt werden. Derzeitige Maßnahmen, um die Mischwirkung zu optimieren, sind z. B. die Anpassung von Prozessparametern oder der Rotorgeometrie. Derartige Optimierungen sind häufig zeitintensiv, da Kenntnisse über die Vorgänge im Innenmischer weitestgehend fehlen und neben den aufgenommenen Prozessdaten (Fingerprint) nur das Mischergebnis bewertet werden kann.

Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, ein grundlegendes Prozessverständnis für den Mischprozess im Innenmischer aufzubauen, da erstmals Kenntnisse über die Fließvorgänge im Bereich zwischen den Rotoren im Innenmischer generiert werden. Des Weiteren ist mit Hilfe der Erkenntnisse eine Abschätzung der Qualität der Mischung in Abhängigkeit der vorliegenden Strömungsverhältnisse durch eine Zuordnung der Fließvorgänge zu den dominierenden Mischeffekten möglich.

Zur Visualisierung der Fließvorgänge werden verschieden farbige Compounds in die Mischkammer eines Innenmischers eingegeben und für unterschiedliche Zeiten sowie bei unterschiedlichen Phasenwinkeln gemischt. Anschließend werden die Rotoren angehalten, die Mischkammer geöffnet und das Compound so entnommen, dass der Zwickelbereich nicht durch die Entnahme beeinflusst wird. Der Zwickelbereich zwischen den Rotoren wird anschließend über der Länge zerteilt, sodass mehrere Bilder von den farbigen Compounds im Zwickelbereich aufgenommen werden können. Aus den Untersuchungen lässt sich ein Zusammenhang zwischen den Prozesseinstellungen (Rotordrehzahl, Temperatur des Innenmischers, Phasenwinkel) und den daraus resultierenden Fließvorgängen im Innenmischer ableiten. 

Zur Herstellung von Elastomerbauteilen sind Kautschukmischungen notwendig. Diese werden basierend auf einer festen Rezeptur hergestellt, um bestimmte Eigenschaften der Endprodukte zu erzielen. Die Wirtschaftlichkeit des Prozesses hängt dabei wesentlich von der Prozessführung bei der Mischungsaufbereitung ab.

Daher sollen Prozessmodelle zur Beschreibung des Mischprozesses entwickelt werden. Die Grundlage der Prozessmodelle basieren auf umfassenden Untersuchungen des Mischprozesses, um Einflussparameter und Qualitätsgrößen zu ermitteln. Die Ausgangsgrößen werden mit den Eingangsgrößen verknüpft, um so den Mischprozess in den einzelnen Phasen modellhaft abzubilden. Das Prozessmodell erlaubt eine Reduzierung der Mischzeiten in einzelnen Phasen ohne Einbußen der Mischqualität der Kautschukmischungen.

Zur Optimierung des Mischprozesses werden systematische Mischvorschriften für einzelne Mischphasen beginnend mit der Zugabe des Kautschuks bis zum Inkorporationszeitpunkt des Rußes für unterschiedliche Kautschuke optimiert. Folglich wird eine Basis für eine konsequente Zykluszeitreduktion der Mischprozesse erarbeitet. Das Ergebnis des Forschungsvorhabens ist ein empirisch entwickeltes Modell zur Erhöhung der Energieeffizienz durch die Optimierung des Mischprozesses und die Reduzierung der Mischzeit. 

Für zahlreiche Anwendungen in unterschiedlichsten Bereichen beispielsweise im Automobilbau oder der Lebensmittelindustrie ist es notwendig, Leitungen zu beheizen, um ein Gefrieren von Fluiden in Leitungen zu verhindern eine gezielte Temperierung von Fluiden vornehmen zu können. Bisher werden dafür Chemikalien, z. B. Frostschutzmittel, oder elektrische Begleitheizungen verwendet. Bislang ist kein elektrisch leitfähiges Elastomer verfügbar, bei dem eine direkte Erwärmung durch dissipierte elektrische Energie zur gezielten Temperierung von Elastomerbauteilen in der Anwendung oder zur vorherigen Vulkanisation genutzt werden kann.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Herstellung und Verarbeitung von elektrisch leitfähigen Elastomeren, die definierte elastische Eigenschaften haben und eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit erreichen. Die Materialien sollen mit elektrischem Strom nach dem Prinzip eines Widerstandsheizelementes temperiert werden. Damit ist neben der Temperierung von Elastomerbauteilen auch eine effiziente Vulkanisation solcher Bauteile durch das Anlegen von elektrischem Strom möglich.

Im Projekt wurde die gesamte Prozesskette ausgehend von der Materialauswahl, der Rezepturentwicklung, der Mischungsherstellung im Laborkneter, der Herstellung von Probekörpern im Pressverfahren, der Bestimmung der elektrischen, mechanischen und rheologischen Eigenschaften sowie die Erarbeitung optimaler Mischvorschriften im Innenmischer, die Weiterverarbeitung bis hin zur Vulkanisation betrachtet. Im Rahmen des Projektes ist es gelungen elektrisch leitfähige Mischungen herzustellen, die ausreichende elektrische Eigenschaften aufweisen, um mit Strom vulkanisiert zu werden. Des Weiteren war es möglich elektrisch leitfähige Elastomere herzustellen, die mittels Strom temperiert werden konnten. 

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Martin Facklam, M.Sc.

Abteilungsleiter Extrusion und Kautschuktechnologie +49 241 80-28372 martin.facklam@ikv.rwth-aachen.de

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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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