Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verbesserung der Reibungs- und Verschleißeigenschaften von Elastomeren durch neuartige Nano-Füllstoffe auf Carbon-Basis

Bei der Reibung von Elastomeren auf glatten Substraten treten oft große Reibwerte und damit verbundene Reibinstabilitäten auf, die zu unerwünschter Geräuschentwicklung und starkem Abrieb führen können. Deshalb werden Gummimaterialien, wie z. B. Fahrzeugdichtungen, zur Reduzierung des Reibkoeffizienten in mehreren Schritten mit einem Gleitlack versehen oder halogeniert und beflockt. All diese Verfahren sind jedoch mit der Verwendung umweltgefährlicher Substanzen und zusätzlichen Arbeitsschritten und damit höheren Herstellungskosten verbunden. Darüber hinaus sind Reibinstabilitäten vor allem bei alternden Gummiwerkstoffen zu beobachten, welche auf Grund von Weichmacherverlusten und anderen Alterungsmechanismen aushärten und ihre Flexibilität im Kontakt mit anderen Substraten und Lubrikanten verlieren (z. B. Scheibenwischer, Stangen- und Radialwellendichtringe oder Druckwalzen).

Ziel des Projektes ist deshalb die Entwicklung von reibungsarmen und alterungsstabilen Elastomerkompositen auf Basis neuartiger, schichtförmiger Nano-Füllstoffen (Graphen-Nanoplatelets), die eine intrinsische Schmierung und mit Ruß vergleichbare Verstärkungseigenschaften aufweisen. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass die Trockenreibung von Elastomeren auf rauen und glatten Substraten durch Graphen-Nanoplatelets deutlich reduziert wird. Eine Verbesserung der Alterungs- und Verschleißfestigkeit soll zudem durch Minimierung der alterungsbedingten Weichmacherverluste, mittels Aufbau einer Diffusionsbarriere durch Orientierung der schichtförmigen Nano-Füllstoffe, erreicht werden. Mit dieser Methode konnte in Vorversuchen bereits eine deutliche Verbesserung der Gasdichtigkeit demonstriert werden. Die Forschungsergebnisse bieten eine Möglichkeit, die hohen Kosten zur Erzeugung beschichteter Elastomere und die durch Reibung und Verschleiß anfallende Wertminderung von Produkten zu verringern. Auf diese Weise kann ein wichtiger Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU geleistet werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Vorhabens wurden diverse Elastomermischungen mit neuartigen, schichtförmigen, carbon-basierten Füllstoffen verstärkt. Diese sind so genannte Graphen-Nanoplatelets (GnPs), die typisch nur einige Nanometer dick, aber mehrere Mikrometer breit sind. Dadurch lassen sich anisotrope Effekte erzielen und steuern. Im Projektverlauf konnte so gezeigt werden, dass die Diffusion von Quellmitteln oder Gasen (Sauerstoff) durch das Elastomermaterial teilweise deutlich reduziert werden kann. Dadurch konnte auch die alterungsbedingte Verhärtung des Materials nur auf die oberen Schichten des Materials reduziert werden. Die Kombination zwischen der Diffusionsbarriere (erreicht durch den Einsatz von GnPs) sowie der diffusionslimitierten Oxidation sorgte dafür, dass die Alterung im Inneren der genutzten Proben ab einer Tiefe von ca. 500µm nicht mehr auftrat. Dies kann für verschiedene Anwendungen in der Industrie genutzt werden.

Eine weitere wesentliche Erkenntnis war die Reibreduzierung beim Einsatz von GnPs als Füllstoff in elastomeren Materialien. Je nach Menge und Art der GnPs sowie bei unterschiedlichen Reibbedingungen (Reibpartner, Temperatur, Last etc.) konnte teilweise eine starke Reduzierung der Reibkräfte forciert werden. Damit können solche Elastomermaterialien unter bestimmten Bedingungen ohne Flüssigschmierstoffe betrieben werden. Reibsimulationen konnten dies bestätigen und Hinweise dafür liefern, dass eine Ausbildung eines Kohlenstoffschmierfilms durch GnPs vorliegt.

Das Projektziel der Entwicklung von reibungsarmen und alterungsstabilen Elastomerkompositen auf Basis neuartiger, schichtförmiger Nano-Füllstoffe (Graphen-Nanoplatelets), die eine intrinsische Schmierung und mit Ruß vergleichbare Verstärkungseigenschaften aufweisen, konnte somit erfolgreich erreicht werden.