Dissertations / Theses on the topic 'Kautschuk'

Ein fundiertes Verständnis der Mechanismen der Gummi-Vulkanisation von Dien-Kautschuken ist noch immer eine der größten Herausforderungen in der Chemie und Technologie der Elastomere. Die Schwefelvulkanisation von Elastomerwerkstoffen ist ein seit langem verwendeter, aber dennoch sehr anspruchsvoller Prozess, mit dessen Hilfe moderne Reifen hergestellt werden. Bei dieser chemischen Reaktion spielt Zinkoxid, zusammen mit den anderen Hilfsstoffen der Schwefelvulkanisation eine entscheidende Rolle. Um die Produkteigenschaften von mit Schwefel vulkanisierten Elastomermaterialien zu verbessern, sollten die Mechanismen der chemischen Vernetzung - und insbesondere auch die Rolle von Zink enthaltenden Verbindungen bei der Vulkanisationsreaktion besser verstanden werden. Zum Beispiel könnte das Eigenschaftsprofil von Reifen durch die Ausbildung von geeigneten Netzwerken aus Schwefel oder anderen Netzknoten optimiert werden. Nitrilkautschke aus der Klasse der Spezialelastomere und die meisten nicht-Tire- Kautschuk in der ganzen Welt eingesetzt, wecken ein großes Interesse der Forschung wegen ihrer einzigartigen Vulkanisationschemie bei der Vernetzung mittels Zinkverbindungen und wegen der besonderen Eigenschaften der dadurch erzeugten Elastomerwerkstoffe. In dieser Arbeit wurde besonderes Augenmerk darauf gelegt, die Rolle von verschiedenen Zinkverbindungen in der Schwefelvulkanisation von carboxylierten Nitrilkautschuken zu verstehen. In der vorliegenden umfangreichen und eingehenden Untersuchung konnte die Ausbildung einer weiteren Polymerphase im Elastomer nachgewiesen werden. Durch dieses Ergebnis kann nun das dynamische mechanische Verhalten von solchen Polymerwerkstoffen besser verstanden werden. Teile dieser Arbeit beschäftigen sich mit der Erforschung der Rolle von Zinkchlorid bei der Vernetzung von Nitrilkautschuken. Hierzu wurde festgestellt, dass Zinkchlorid einen besonderen Einfluss auf die chemische Vernetzung des NBR aufweist, auch in Abwesenheit anderer Vernetzungs- oder Vulkanisationsadditive. Die so vernetzten Elastomere weisen ein stark hydrophiles Verhalten auf, im Gegensatz zu den allgemeinen Eigenschaften solcher Elastomerwerkstoffe. Eine detaillierte Analyse dieser neuartigen Netzwerkstruktur, gebildet durch eine Koordinationsbindung zwischen dem Zinkatom des Zinkchlorids und dem Nitrilkautschuk, wurde durchgeführt. Carboxylierter Nitrilkautschuk (XNBR) wurde ebenfalls eingesetzt, um funktionale Kautschukmischungen mit neuartigen flammhemmenden Eigenschaften zu entwickeln. Zu dieser Thematik wurden Zink enthaltende Doppelhydroxide (Layered Doube Hydroxides, LDH) als multifunktionale Füllstoffe in XNBR-Kautschuk eingesetzt. Neben dem Flammschutzverhalten zeigt LDH einzigartige Eigenschaften als verstärkenden Füllstoff und gleichzeitig als aktivierendes Additiv für die Schwefelvulkanisation. Eine weitere Zink enthaltenden Verbindung, Zinkstearat, wurde eingesetzt um mechanoadaptive elastomere Materialien durch gezieltes Einstellen des kristallinen bzw. amorphen Charakters dieser Verbindung zu entwickeln. Dies könnte einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung zukünftiger Reifenmaterialien mit intrinsisch adaptiven Eigenschaften liefern.

Die Arbeit widmet sich der Problemstellung der Substitution des Primärrohstoffes Kautschuk durch Rezyklate in Form von Gummimehl. Die für das innerbetriebliche Recycling von Kleinchargen technischer Elastomere hier eigens konzipierte und umgesetzte Warmmahltechnologie dient zur Herstellung von Gummimehlrezyklat hoher Qualität aus Lkw-Altreifen. Hinsichtlich ausgewählter Verarbeitungs- und Materialkennwerte von Mischung und Vulkanisat werden die Auswirkungen der Zugabe von Rezyklaten und die wesentlichen Einflussgrößen des den Rezyklaten zugrunde liegenden Aufbereitungsprozesses – das Kryogenmahlverfahren bzw. die neu entwickelte Warmmahltechnologie – herausgearbeitet. Abschließend erfolgt die Formulierung materialspezifischer Versagensmechanismen, die das entsprechende Aufbereitungsverfahren der Rezyklate berücksichtigen
The work is devoted to the problem of the substitution of the primary raw material rubber by recycled materials in the form of rubber powders. For the in-plant recycling of small batches of technical elastomers an ambient grind technology was specifically designed and implemented for making rubber powders of high quality out of used truck tires. In terms of selected processing and material characteristics of the mixture and the vulcanizate the influences of the addition of recycled material and the significant factors affecting the regeneration process underlying these recyclates – the cryogenic grinding versus the new developed ambient grinding technology – were worked out. Finally, the material-specific failure mechanisms were formulated, incorporating the regeneration process of such regenerated materials

Die Arbeit widmet sich der Problemstellung der Substitution des Primärrohstoffes Kautschuk durch Rezyklate in Form von Gummimehl. Die für das innerbetriebliche Recycling von Kleinchargen technischer Elastomere hier eigens konzipierte und umgesetzte Warmmahltechnologie dient zur Herstellung von Gummimehlrezyklat hoher Qualität aus Lkw-Altreifen. Hinsichtlich ausgewählter Verarbeitungs- und Materialkennwerte von Mischung und Vulkanisat werden die Auswirkungen der Zugabe von Rezyklaten und die wesentlichen Einflussgrößen des den Rezyklaten zugrunde liegenden Aufbereitungsprozesses – das Kryogenmahlverfahren bzw. die neu entwickelte Warmmahltechnologie – herausgearbeitet. Abschließend erfolgt die Formulierung materialspezifischer Versagensmechanismen, die das entsprechende Aufbereitungsverfahren der Rezyklate berücksichtigen.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 3 2.1 Elastomerrecycling 3 2.2 Warm- und Kaltmahlverfahren 5 2.3 Warmmahlextrusion 8 3 Zielstellung 13 4 Werkstoffmechanische Charakterisierung von Elastomeren 15 4.1 Eigenschaften von Kautschuk und Gummi 15 4.2 Mechanisches Ersatzmodell 16 4.3 Vulkanisation 20 4.3.1 Grundlagen 20 4.3.2 Vernetzungsreaktion 22 4.3.3 Konstitution der Vernetzungsstellen 23 4.3.4 Reversion und „marching modulus“ 25 4.4 Verformungsverhalten 26 4.4.1 Hyperelastizität 26 4.4.2 Hysterese 27 4.4.3 Mullins-Effekt 28 4.4.4 Payne-Effekt 29 4.4.5 Spannungsrelaxation und Spannungsretardation 30 4.5 Zustands- und Übergangsbereiche 31 4.5.1 Temperaturabhängige Zustands- und Übergangsbereiche 31 4.5.2 Zeitabhängige Zustandsbereiche 32 4.5.3 Zeit-Temperatur-Superposition 33 4.6 Gummireibung 35 4.7 Bruchmechanische Ansätze 38 4.7.1 Begriffsdefinitionen 38 4.7.2 Rissinitiierung und Rissausbreitung 39 4.7.3 Rissabstumpfung (Blunting) 41 4.7.4 Einfluss der Verschlaufung der Makromoleküle und der Vernetzungsdichte 46 5 Eigenschaften und Versagensverhalten von Rezyklatcompounds 49 6 Warmmahltechnologie zur Verarbeitung sortenreiner Kleinchargen 53 6.1 Neuer Warmmahlprozess 53 6.2 Verfahrensoptimierung 55 6.3 Technische Elastomere 61 6.4 Ergebnisse der Verfahrensoptimierung 63 7 Untersuchung des Werkstoffverhaltens von Rezyklatcompounds 65 7.1 Charakterisierung der Ausgangsmaterialien 65 7.2 Mischungseigenschaften und Vulkanisationsverhalten 66 7.2.1 Mischungsrezeptur und Mischungsrheologie 66 7.2.2 Flüssig-Fest-Extraktion zur Ermittlung des Sol-Anteils 68 7.2.3 Vulkanisationsverhalten 71 7.3 Vulkanisateigenschaften 72 7.4 Spannungs-Dehnungs-Verhalten 75 7.4.1 Zugversuch nach DIN 53504 75 7.4.2 Zugversuche bei verschiedenen Dehnraten 79 7.5 Bruchflächenmorphologie 87 8 Auswertung der Untersuchungen von Rezyklatcompounds 93 8.1 Auswirkungen der Zugabe von Gummimehlrezyklat in die Kautschukmischung 93 8.2 Versagensmechanismen von Rezyklatcompounds 94 8.3 Vergleich von Rezyklatcompounds mit warm oder kryogen vermahlenem Feinmehl 97 8.4 Rückschlüsse aus der Materialcharakterisierung 99 9 Zusammenfassung und Ausblick 101 10 Literaturverzeichnis 103 11 Anhang 107
The work is devoted to the problem of the substitution of the primary raw material rubber by recycled materials in the form of rubber powders. For the in-plant recycling of small batches of technical elastomers an ambient grind technology was specifically designed and implemented for making rubber powders of high quality out of used truck tires. In terms of selected processing and material characteristics of the mixture and the vulcanizate the influences of the addition of recycled material and the significant factors affecting the regeneration process underlying these recyclates – the cryogenic grinding versus the new developed ambient grinding technology – were worked out. Finally, the material-specific failure mechanisms were formulated, incorporating the regeneration process of such regenerated materials.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 3 2.1 Elastomerrecycling 3 2.2 Warm- und Kaltmahlverfahren 5 2.3 Warmmahlextrusion 8 3 Zielstellung 13 4 Werkstoffmechanische Charakterisierung von Elastomeren 15 4.1 Eigenschaften von Kautschuk und Gummi 15 4.2 Mechanisches Ersatzmodell 16 4.3 Vulkanisation 20 4.3.1 Grundlagen 20 4.3.2 Vernetzungsreaktion 22 4.3.3 Konstitution der Vernetzungsstellen 23 4.3.4 Reversion und „marching modulus“ 25 4.4 Verformungsverhalten 26 4.4.1 Hyperelastizität 26 4.4.2 Hysterese 27 4.4.3 Mullins-Effekt 28 4.4.4 Payne-Effekt 29 4.4.5 Spannungsrelaxation und Spannungsretardation 30 4.5 Zustands- und Übergangsbereiche 31 4.5.1 Temperaturabhängige Zustands- und Übergangsbereiche 31 4.5.2 Zeitabhängige Zustandsbereiche 32 4.5.3 Zeit-Temperatur-Superposition 33 4.6 Gummireibung 35 4.7 Bruchmechanische Ansätze 38 4.7.1 Begriffsdefinitionen 38 4.7.2 Rissinitiierung und Rissausbreitung 39 4.7.3 Rissabstumpfung (Blunting) 41 4.7.4 Einfluss der Verschlaufung der Makromoleküle und der Vernetzungsdichte 46 5 Eigenschaften und Versagensverhalten von Rezyklatcompounds 49 6 Warmmahltechnologie zur Verarbeitung sortenreiner Kleinchargen 53 6.1 Neuer Warmmahlprozess 53 6.2 Verfahrensoptimierung 55 6.3 Technische Elastomere 61 6.4 Ergebnisse der Verfahrensoptimierung 63 7 Untersuchung des Werkstoffverhaltens von Rezyklatcompounds 65 7.1 Charakterisierung der Ausgangsmaterialien 65 7.2 Mischungseigenschaften und Vulkanisationsverhalten 66 7.2.1 Mischungsrezeptur und Mischungsrheologie 66 7.2.2 Flüssig-Fest-Extraktion zur Ermittlung des Sol-Anteils 68 7.2.3 Vulkanisationsverhalten 71 7.3 Vulkanisateigenschaften 72 7.4 Spannungs-Dehnungs-Verhalten 75 7.4.1 Zugversuch nach DIN 53504 75 7.4.2 Zugversuche bei verschiedenen Dehnraten 79 7.5 Bruchflächenmorphologie 87 8 Auswertung der Untersuchungen von Rezyklatcompounds 93 8.1 Auswirkungen der Zugabe von Gummimehlrezyklat in die Kautschukmischung 93 8.2 Versagensmechanismen von Rezyklatcompounds 94 8.3 Vergleich von Rezyklatcompounds mit warm oder kryogen vermahlenem Feinmehl 97 8.4 Rückschlüsse aus der Materialcharakterisierung 99 9 Zusammenfassung und Ausblick 101 10 Literaturverzeichnis 103 11 Anhang 107

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, leistungsfähige chromatographische Trenn-methoden für Copolymere und Blends, insbesondere zur Charakterisierung von Styrol-Butadien-Copolymeren, zu entwickeln. Für Blockcopolymere ist die selektive Bestimmung der einzelnen Block-längen und des Blocklängenverhältnisses von großer Bedeutung. Demgegenüber muß bei schlagzäh modifiziertem Polystyrol oder bei SBR-BR-Mischungen nach dem Butadien- oder dem Styrolgehalt getrennt werden. Auf diese Weise ist es dann möglich, Copolymer- und Homopolymeranteile nach der chemischen Zusammen-setzung zu trennen und separat zu analysieren. Die Bestimmung der chemischen Heterogenität über eine Trennung nach dem Styrolgehalt ist auch bei der Optimierung von im Lackbereich eingesetzten Styrol-Ethylacrylat-Copolymeren von großer Relevanz. Zum Optimieren der Pfropfreaktion, die zum Herstellen von Phasenvermittlern aus S-B-Blockcopolymeren eingesetzt wird, ist es nötig, das entstehende Pfropfrohprodukt mit geeigneten Trenn-verfahren zu analysieren. Eine umfassende Charakterisierung gelingt in aller Regel erst durch die anschließende Analyse der aufgetrennten Produkte mit Hilfe der FTIR-Spektroskopie, die dazu direkt mit den flüssigchromatographischen Trennverfahren gekoppelt wurde. Die hohe Qualität der Spektren, die ähnlich der von normalen Transmissions-spektren ist, ermöglicht eine einfache qualitative und quantitative Analyse. Über die Kombination leistungsfähiger chromato-graph-ischer Methoden wie der Chromatographie am kritischen Punkt der Adsorption, der Gradienten-chromato-graphie oder der 2D-Chromatographie und deren direkte Kopplung mit der FTIR-Spektroskopie ist damit eine umfassende Charakteri-sierung selbst komplexer Polymersysteme möglich. Die Anwendung solcher Hochleistungs-methoden ist vor allem auf dem Gebiet der Styrol-Butadien-Kautschuke von großer wirtschaftlicher Bedeutung für die Produktentwicklung und -kontrolle sowie für die Qualitätssicherung.