Wie altern Elastomere?

Fraunhofer LBF hat maßgeschneiderte Prüfprozeduren entwickelt

Sie dämpfen, dichten ab, befördern oder rollen - unauffällig und in der Regel zuverlässig erfüllen viele Bauteile mit Elastomerkomponenten ihren Zweck. Während sie ihren Dienst versehen, setzen ihnen allerdings mechanische Belastungen und wechselnde Umwelteinflüsse zu. Thermomechanische Beanspruchungen, Strahlung, Feuchte oder chemische Substanzen wirken dabei zumeist in Kombination auf die Elastomere ein.

Genaue Messeinrichtung für eine qualitativ hochwertige Messung beim Treppenstufenversuch. (Foto: Fraunhofer LBF)

Wie genau sie altern, und damit ihre Materialeigenschaften verändern, ist bislang weitgehend unbekannt. Bei der Entwicklung neuer Produkte und bei der Lebensdauervorhersage kann es daher sehr von Nutzen sein, die zugrundeliegenden Alterungs- und Versagensmechanismen besser zu verstehen. Einen großen Schritt zu diesem Verständnis hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF mit einem eigenen Forschungsprojekt für seine Leistungsfelder Polymertechnik und Schwingungstechnik getan.

Dazu haben die Wissenschaftler die langjährigen Erfahrungen des Instituts bei Betriebsfestigkeitsprüfungen an Elastomerbauteilen mit der physikalischen und chemischen Elastomercharakterisierung im Institutsbereich Kunststoffe kombiniert. Das Institut konnte auf diesem Wege angepasste Prüfprozeduren für die gezielte Alterung von Elastomeren ableiten.

Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass die thermooxidative Alterung eine der häufigsten Ursachen für das Versagen von Elastomerbauteilen ist. Dabei erweicht und/oder verhärtet die thermische Alterung das Material, was mit alterungsbedingten Änderungen der Netzwerkdichte erklärt wird. Ziel des Forschungsprojektes im Fraunhofer LBF war daher, der Industrie praktisch nutzbare Informationen zum Alterungsvorgang von Elastomeren anbieten zu können.

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Prüfung von Materialproben auf unabhängigen Prüfachsen, angetrieben von elektromechanischen Aktuatoren. (Foto: Raapke / Fraunhofer LBF)

Um praxisrelevante Alterungs- und Prüfprozeduren für Elastomere abzuleiten, verknüpften die LBF-Wissenschaftler Schwingfestigkeitsversuche mit Untersuchungen der alterungsbedingten Materialveränderungen. Dazu griffen sie auf ein breites Spektrum der im Institut etablierten Versuchsmöglichkeiten zurück. Zur Materialcharakterisierung führten die Wissenschaftler unterschiedliche Untersuchungen durch wie Zugprüfungen, Spannungsrelaxation, Druckverformungsrest, dynamisch-mechanische Analyse (DMA), Quellungsexperimente, Festkörper-NMR und chemische Analytik. Die Schwingfestigkeit bestimmten sie mit Hilfe von kraft-, beziehungsweise weggeregelten Wöhlerversuchen mit und ohne Temperaturbeaufschlagung und Medienprüfung.

Im Fokus des Forschungsprojektes stand der Zusammenhang zwischen Lebensdauer und Materialcharakteristik, bezogen auf die thermooxidative sowie die rein thermische Alterung einer exemplarischen Naturkautschuk-Mischung (60 ShA). Dieses rußhaltige Gummimaterial ließen die Wissenschaftler bei verschiedenen Temperaturen in Luft oder unter Stickstoff altern. Nach definierten Auslagerungszeiten wurden die Proben entnommen und untersucht.

Die Ergebnisse zeigen, dass zu Beginn die Nachvernetzung und somit die Versteifung des Materials eine große Rolle spielt, was direkt im Vergleich zwischen kraft- und weggeregelten Wöhlerversuchen zu sehen ist. Wird das Material kraftgeregelt beansprucht, wirkt sich dieser Effekt für moderate Alterungszeiten lebensdauerverlängernd aus. Erst danach beginnt die chemische Alterung das Material zu degradieren, so dass die Lebensdauer signifikant abnimmt.

Im Abgleich der Molmasse (gemessen mit der dynamisch-mechanischen Analyse DMA) mit der relativen Lebensdauer ist in beiden Fällen der Extremwert in den ersten Tagen zu erkennen. (Graphik: Fraunhofer LBF)

Analog verhält sich die über unterschiedliche charakterisierende Versuche abgeleitete Molmasse des Netzbogens. Auch diese hat einen relativen Extremwert im Alterungsabschnitt, in dem die Wöhlerversuche ihr Maximum aufzeigen. Dieses Verhalten zeigte sich bei allen untersuchten Analyseverfahren zur Bestimmung des Materialverhaltens. Ob sich die Lebensdauer direkt mit der Molmasse des Netzbogens korrelieren lässt, konnten die LBF-Forscher noch nicht endgültig sicherstellen. Allerdings konnten sie anhand der Ergebnisse dieses umfangreichen Versuchsprogramms eine gemeinsame Charakteristik feststellen.

Beschleunigte Ermüdungstests
Die Kopplung von thermischer Alterung, Charakterisierung und Ermüdungsprüfungen an Elastomeren erlaubt dem Fraunhofer LBF nun, optimierte Alterungsverfahren für beschleunigte Ermüdungstests abzuleiten. Der Nachweis von Veränderungen der Materialeigenschaften ermöglicht ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Alterungsmechanismen und Schlussfolgerungen für verbesserte Testverfahren und die Materialentwicklung abzuleiten. Profitieren können hiervon beispielsweise Hersteller von Gummimaterialien, Halbzeugen aus Gummi, Gummidämpfern und technischen Gummis.

Zusätzlich zu den etablierten Ermüdungstests bietet der Bereich Kunststoffe des Fraunhofer LBF ein breites Spektrum an Methoden zur Charakterisierung von Elastomeren an. Dies ermöglicht eine bessere Beurteilung der alterungsbedingten Materialänderungen in Elastomeren. Auf dieser Basis können kundenbezogene Strategien zur beschleunigten thermischen Alterung und individuelle Messprogramme abgeleitet werden. In Kombination mit der Materialentwicklung oder Materialauswahl und dem Design von Elastomerkomponenten konnte das Fraunhofer LBF sein Angebotsportfolio erneut erweitern. Weitere Informationen gibt es unter www.lbf.fraunhofer.de/elastomere.

Wissenschaftlicher Kontakt:
M. Sc. Thomas Kroth
Fraunhofer LBF
E-Mail: thomas.kroth@lbf.fraunhofer.de

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