Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung und Herstellung elektrisch hochleitfähiger und damit direkt vulkanisierbarer und beheizbarer Elastomer-Hybridmaterialien

Das Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist die Herstellung und Verarbeitung eines elastomeren Hybrid-Materials, das definierte gummielastische und elektrische Eigenschaften besitzt, sodass es mit elektrischem Strom nach dem Prinzip eines Widerstandsheizelementes temperiert werden kann. Dadurch ergibt sich ein hohes Potenzial für KMU, mit vorhandener Anlagentechnik elektrisch funktionalisierte Elastomerbauteile herzustellen und neue Märkte zu erschließen.

Um elektrische Leitfähigkeiten zwischen 100 10000 S/m zu erreichen, werden elektrisch leitfähige faserförmige und pulverförmige Füllstoffsysteme kombiniert. Die Optimierung der Materialeigenschaften erfolgt zudem hinsichtlich der elastischen Eigenschaften des Vulkanisats und der Verarbeitungseigenschaften der Kautschukmischungen.

Ausgehend von den entwickelten Rezepturen soll es KMU möglich sein, elastomere Bauteile, wie beispielsweise Heizbänder oder -schläuche und Dichtungen für Tieftemperatur-anwendungen, aus Hybrid-Materialien im industriellen Maßstab mit vorhandener Anlagentechnik ohne zusätzliche Investitionen herzustellen.

Die Eigenschaften von Elastomeren werden neben der Zusammensetzung der Mischung auch von der Mischungsaufbereitung und der Verarbeitung beeinflusst. Daher muss die gesamte Prozesskette von der Aufbereitung bis zur Verarbeitung bei der Herstellung von elastomeren Bauteilen untersucht werden, um eine Übertragbarkeit und Umsetzung der Forschungsergebnisse für industrielle Anwendungen der kautschukverarbeitenden KMU zu ermöglichen.

Die Erkenntnisse, die in dem Forschungsvorhaben entwickelt werden sollen, werden daher den KMU eine maßgebliche Hilfestellung zum schnellen und erfolgreichen Einsatz des innovativen elastomeren Hybridmaterials liefern.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens war es möglich, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM)-Mischungen mit einem Carbonfaseranteil von 40 phr mittels dissipativer Widerstandserwärmung über einen Versuchszeitraum von 30 min konstant auf ca. 80 °C zu temperieren. Des Weiteren wurde deutlich, dass es gelingt EPDM-Mischungen mit einem Anteil von 22,5 phr Leitfähigkeitsruß und Acryl-Butadien-Kautschuk (NBR)-Mischungen mit einem Anteil von 17,5 phr Leitfähigkeitsruß zu vulkanisieren. 120 s nachdem eine elektrische Spannung von 40 V an eine EPDM-Prüfplatte angelegt wurde, konnte eine Temperatur von über 120 °C erreicht werden. Der resultierende Vernetzungsgrad wurde mithilfe des Temperature Scanning Stress Relaxation (TSSR) Indizes charakterisiert. Dieser ist ein relatives Maß für das Temperaturverhalten eines Elastomerwerkstoffes. Wurde die EPDM-Mischung mit elektrischem Strom vulkanisiert, anstatt in einer Heizpresse, war der Vernetzungsgrad um 16 % geringer. Bei der Vulkanisation von NBR-Mischungen sank der Vernetzungsgrad um 6 %. Des Weiteren konnte nachgewiesen werden, dass die Erwärmung über die Bauteildicke homogen ist. Wurden Bauteile mit einem veränderlichen Querschnitt mittels Strom vulkanisiert, erfolgte die Erwärmung inhomogen. Wurde beispielsweise eine NBR-Platte mit einem Leitfähigkeitsrußanteil von 17,5 phr (Ketjenblack-600 JD) und einem Anteil von 50 phr Standardruß (N330) erwärmt, wurde in dem Plattenteil mit einer Plattendicke von 2 mm eine Temperatur von 100 °C nach einer Versuchsdauer von 40 s bei einer Spannung von 40 V gemessen. Die Temperatur des Teils der Platte mit einer Dicke von 4 mm betrug ca. 70 °C.

Zukünftig ist es KMU deswegen möglich, ohne hohe Investitionen im Bereich der Automatisierung oder erhöhten Personalaufwand beheizbare Medienleitungen und damit äußerst innovative Produkte herzustellen. Des Weiteren ist es möglich, Bauteile ohne die Beschaffung teurer Vulkanisationsanlagen zu vernetzen.