Die Kenntnis über die Netzknotendichte ist notwendig, um sowohl die Qualität von Elastomeren beurteilen zu können, als auch für die Optimierung der Vulkanisationsbedingungen und für die Herstellung von Spezialelastomeren mit verbesserten Eigenschaften. Zu diesen Eigenschaften zählt insbesondere die Alterung von Elastomeren. Des Weiteren hängen die Mobilität der Moleküle und die Netzwerkdynamik zu einem großen Teil von der Netzknotendichte ab. Diese wird durch die Konzentration des Vernetzungsreagenz beeinflusst.
Sowohl mechanische als auch thermisch-oxidative Alterung beeinflussen das polymere Netzwerk, können die Netzknotendichte verändern und führen zu einem Funktionsausfall. Dabei entstehen polymere Abbauprozesse, die eine Vorschädigung der Materialeigenschaften und eine spätere Alterung begünstigen. Um diese Phänomen frühzeitig zu erkennen, um z.B. einen Ausfall eines Bauteils zu verhindern, müssen die Alterungsprozesse, die in hohem Maß die Lebensdauer von Elastomerbauteilen beeinflussen, untersucht werden.
Ziel dieses Praktikums war es die Netzknotendichte und die thermisch-oxidative Alterungseigenschaft von peroxidvernetztem EPDM und deren Korrelation zu untersuchen. Für die Untersuchung des Einflusses der Netzknotendichte wurden verschiedene Konzentrationen an Peroxid für die Vernetzung verwendet. Die quantitative Abschätzung der gebildeten Netzknoten erfolgte mit Rheometer-Messungen, NMR-Relaxationsversuchen und Gleichgewichtsquellung. Um die Korrelation zwischen der Netzknotendichte und den thermisch-oxidativen Alterungseigenschaften zu untersuchen wurden Untersuchungen an der Chemilumineszenz (CL) mit extrahierten und nicht-extrahierten Proben durchgeführt. Für die Bestimmung der Verformbarkeit in Abhängigkeit von der Netzknotendichte wurde der Druckverformungsrest (DVR) gemessen, der mechanische Alterung (unter Stress) und chemische Alterung (ther-misch-oxidativ) global beschreibt.
Inhaltsverzeichnis
EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG
1 THEORETISCHE GRUNDLAGEN
1.1 ELASTOMER
1.1.1 EPDM
1.1.2 Vernetzung mit Peroxiden
1.2 NETZKNOTENDICHTE
1.2.1 Bestimmung mit Rheometer-Messung
1.2.2 Bestimmung mit NMR
1.2.3 Bestimmung mit Gleichgewichtsquellung
1.3 ALTERUNG VON ELASTOMEREN
1.3.1 Chemilumineszenz
1.3.2 Druckverformungsrest
2 EXPERIMENTELLES
2.1 UNTERSUCHTE MATERIALIEN
2.2 METHODEN UND MESSPARAMETER
3 ERGEBNISSE UND AUSWERTUNG
3.1 BESTIMMUNG DER NETZKNOTENDICHTE
3.1.1 Bestimmung mit Rheometer
3.1.2 Bestimmung mit NMR
3.1.3 Bestimmung mit Gleichgewichtsquellung
3.1.4 Vergleich der Netzknotendichte aus Gleichgewichtsquellung und NMR
3.2 UNTERSUCHUNG DER THERMISCH-OXIDATIVEN ALTERUNGSEIGENSCHAFT
3.2.1 Extraktion bei der Chemilumineszenz-Messung
3.2.2 Chemilumineszenz-Messung
3.2.3 Reaktionskinetik der Chemilumineszenz-Reaktion
3.2.4 Untersuchung des Druckverformungsrest
4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss der Netzknotendichte von peroxidisch vernetztem EPDM auf dessen thermisch-oxidative Alterungseigenschaften sowie den Druckverformungsrest, um Korrelationen zwischen Vernetzungsgrad und Materialstabilität zu identifizieren.
- Analyse der Netzknotendichte mittels Rheometer, NMR und Quellung
- Untersuchung der thermisch-oxidativen Alterung durch Chemilumineszenz-Messungen
- Bewertung des Einflusses von Peroxidkonzentrationen auf die Materialeigenschaften
- Vergleich von extrahierten und nicht-extrahierten Proben zur Isolierung von Alterungseffekten
- Bestimmung des Druckverformungsrestes als globaler Indikator für mechanische und chemische Alterung
Auszug aus dem Buch
1.2 Netzknotendichte
Bei der in Abschnitt 1.1.2 angesprochenen Vernetzungsreaktion wird der Kautschuk in einen elastischen Werkstoff überführt, wobei eine Vielzahl statistisch verteilter chemischer (z.B. kovalente oder ionische Bindungen) und physikalischer (z.B. Verschlaufungen) Netzwerkstrukturen entsteht [5,6].
Eine wichtige Struktureinheit ist der Netzknoten, der die Beweglichkeit der Polymerkette einschränkt und das System fixiert. Bei Peroxidvernetzungen bestehen die Netzknoten aus den stabilen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und weisen eine hohe thermische Stabilität auf. Wie in Abbildung 1-3 zu sehen ist, bilden sich zwischen den Netzknoten elastische Bögen, die den größten Einfluss auf die physikalische Eigenschaft des Elastomers haben. Des Weiteren entstehen bei der Vernetzung Verschlaufungen, freie Kettenenden und Netzknotencluster, die sich auch auf die Stabilität des Netzwerks auswirken. Die gebildete Netzwerkstruktur ist neben den Vernetzungsparametern Zeit und Temperatur von der Konzentration des Peroxids und der Struktur des Kautschuks abhängig [5,6].
Als ein wichtiges Merkmal der Netzwerkbildung und für eine umfassende Charakterisierung elastomere Systeme wird die Netzknotendichte definiert, welche die mittlere Zahl von Vernetzungspunkten pro Volumeneinheit angibt. Für die Bestimmung der Vernetzungsdichte können verschiedene Methoden, z.B. Gleichgewichtsquellung oder Protonen-NMR-Relaxation, verwendet werden. [3,6,7]
Zusammenfassung der Kapitel
1 THEORETISCHE GRUNDLAGEN: Dieses Kapitel erläutert die Grundlagen von Elastomeren, insbesondere EPDM, die Peroxidvernetzung sowie Methoden zur Bestimmung der Netzknotendichte und Mechanismen der thermisch-oxidativen Alterung.
2 EXPERIMENTELLES: Es werden die untersuchten Materialien, die Probenherstellung durch Vulkanisation sowie die angewandten experimentellen Methoden, wie Extraktion, NMR, Quellung, Chemilumineszenz und Druckverformungsrest, detailliert beschrieben.
3 ERGEBNISSE UND AUSWERTUNG: Die Ergebnisse der Netzknotendichtebestimmung werden diskutiert, wobei die Auswirkungen der Peroxidkonzentration auf die thermisch-oxidative Alterung und das mechanische Verformungsverhalten der Proben analysiert werden.
4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK: Das Kapitel fasst die wesentlichen Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Vernetzungsdichte und Alterungsbeständigkeit zusammen und identifiziert Ansätze für zukünftige Untersuchungen.
Schlüsselwörter
EPDM, Peroxidvernetzung, Netzknotendichte, thermisch-oxidative Alterung, Chemilumineszenz, Druckverformungsrest, Elastomer, NMR-Relaxation, Vulkanisation, Dicumylperoxid, Alterungsbeständigkeit, Polymernetzwerk, Quellgrad, Vernetzungsgrad, Materialprüfung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Forschungsarbeit befasst sich mit der Charakterisierung von peroxidisch vernetztem EPDM-Kautschuk hinsichtlich seiner Netzknotendichte und wie diese die thermisch-oxidative Alterungsbeständigkeit beeinflusst.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Themen sind die Vernetzungsdichte, die Bestimmung der Alterung mittels Chemilumineszenz und die mechanische Rückstellung durch den Druckverformungsrest.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, den Einfluss verschiedener Peroxidkonzentrationen auf die Netzknotendichte zu quantifizieren und deren Korrelation mit den Alterungseigenschaften des Materials zu bestimmen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Zur Anwendung kommen Rheometer-Messungen, NMR-Relaxationsversuche, Gleichgewichtsquellungs-Untersuchungen sowie Chemilumineszenz-Analysen und Messungen des Druckverformungsrestes.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die experimentelle Vorgehensweise, die Bestimmung und den Vergleich der Netzknotendichte mittels verschiedener Verfahren sowie die Untersuchung des Einflusses der Vernetzung auf die oxidative Stabilität.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich vor allem durch Begriffe wie EPDM, Peroxidvernetzung, Netzknotendichte, Alterungsbeständigkeit und Chemilumineszenz charakterisieren.
Warum ist die Extraktion der Proben für die Chemilumineszenz-Messung wichtig?
Die Extraktion entfernt nicht reagiertes Peroxid und andere lösliche Bestandteile, um den tatsächlichen Einfluss der Netzwerkstruktur auf die Alterung ohne Störung durch chemische Rückstände isoliert betrachten zu können.
Welchen Einfluss hat die Netzknotendichte auf den Druckverformungsrest?
Es zeigt sich ein exponentieller Zusammenhang: Mit steigender Vernetzungsdichte nimmt der Druckverformungsrest ab, da das Material elastischer wird und ein besseres Rückstellvermögen besitzt.
Wie korrelieren die Ergebnisse der NMR-Messung mit der Quellung?
Obwohl beide Methoden zur Bestimmung der Netzknotendichte dienen, zeigt sich, dass die Quellungsmethode in der Regel höhere Werte liefert; beide Methoden weisen jedoch Tendenzen zur Korrelation in niedrigen Konzentrationsbereichen auf.
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- MSc Joana Diekmann (Author), 2008, Der Einfluss der Netzknotendichte von peroxidisch vernetztem EPDM auf die thermisch-oxidative Alterungseigenschaft und den Druckverformungsrest, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/170239
