Alterung von Elastomeren

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Alterung von Elastomeren

Alterung und Alterungsbeständigkeit von Elastomeren

Die Alterung ist nach [1, 2] definiert als „die Gesamtheit von chemischen und physikalischen Änderungen im Laufe der Zeit, die zur Veränderung der mechanischen Eigenschaften derart führen, dass die Anwendbarkeit der Produkte zeitlich reduziert wird“. Diese Eigenschaftsänderungen können soweit führen, dass das Bau-/Formteil (siehe: Formmasse) gänzlich versagt und seine Funktion nicht mehr erfüllen kann [3]. Alterungsprozesse können zu jedem Zeitpunkt der Herstellung und des Gebrauches ablaufen [4].
Die Alterungsbeständigkeit kann im Rahmen von Beständigkeitsuntersuchungen von Elastomeren charakterisiert werden. Hierbei werden die Werkstoffe einer künstlichen Alterung unter möglichst praxisnahen Bedingungen unterworfen und es werden indirekte oder direkte Prüf- und Analysemethoden angewendet, um die Auswirkung der Alterung auf die Struktur und die Eigenschaften zu quantifizieren. Die Alterungsbeständigkeit ist wie alle physikalischen und chemischen Eigenschaften stark vom Aufbau des Werkstoffes abhängig. Die in der Praxis auftretende Vielfalt von Beanspruchungszuständen macht aber eine einheitliche Betrachtungsweise nahezu unmöglich.

Einfluss der Alterungsprozesse auf das Kennwertniveau

Durch die verschiedenen Beanspruchungen in der Praxis kann es auf molekularer Ebene zu irreversiblen physikalischen und chemischen Prozessen wie z. B. Polymerkettenspaltung, Vernetzung oder dem Aufbrechen und der Neuformation von kovalenten Bindungen (Re-Kombination) kommen. Während die Kettenspaltung eine Abnahme der Viskosität bedingt, führt eine (Nach)Vernetzung des Werkstoffes zu einer Erhöhung der Steifigkeit. Eine Kombination aus beiden Mechanismen kann dann schließlich zur Entstehung von Mikrorissen führen, die die Lebensdauer des Elastomerproduktes beschränken [5]. Werkstoffe, bei denen der Prozess Kettenspaltung auftritt, neigen zur Bildung von Rissen an der Oberfläche. Im Falle einer gleichzeitigen mechanischen Belastung kann es darüber hinaus zu Relaxationsprozessen kommen. Das Ausmaß der alterungsbedingten Veränderungen ist wesentlich von der Temperatur und den sonstigen Alterungsbedingungen (Medium, Zeit, etc.) abhängig. Ein, durch die thermisch-oxidative Alterung hervorgerufener Anstieg der Vernetzungsdichte (siehe: Vernetzung Elastomere) wird neben der Temperatur wesentlich durch die werkstoffabhängige Sauerstoffaufnahmefähigkeit, die Diffusionsgeschwindigkeit und die Sauerstoffdurchlässigkeit mitbestimmt. Die alterungsbedingten Veränderungen der molekularen Netzwerkstruktur bzw. deren Auftreten sind abhängig vom eingesetzten Vernetzersystem. Oftmals kommt es bei der thermisch-oxidativen Alterung auch zur Ausbildung eines Eigenschaftsprofils mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche. Diese oftmals versprödete und verhärtete Außenschicht kann als eine „Rissinitiierungszone“ betrachtet werden. Der oxidative Alterungsprozess von Polydienen wie NR, BR oder SBR findet im Wesentlichen an den Doppelbindungen der Hauptkette statt. Demnach spielt für die thermisch-oxidative Alterungsbeständigkeit die Konzentration an Doppelbindungen eine entscheidende Rolle [6].

Literaturhinweise

[1]	DIN 50035 (2012-09): Begriffe auf dem Gebiet der Alterung von Materialien – Polymere Werkstoffe
[2]	Ehrenstein, G. W., Pongratz, S.: Beständigkeit von Kunststoffen, Carl Hanser Verlag, München Wien (2007), ISBN 978-3-446-21851-2; siehe AMK-Büchersammlung unter G 31)
[3]	Azura, A. R., Ghazali, S., Mariatti, M.: Effects of the Filler Loading and Aging Time on the Mechanical and Electrical Conductivity Properties of Carbon Black Filled Natural Rubber. J. Appl. Polym. Sci. 110 (2008) 747–752
[4]	Claessen, O., Mang, T., Dikland, H. G., van Duin, M.: Helle Fensterprofilmaterialien: Alterungsverhalten auf Basis von peroxidisch vernetztem EPDM. Kautsch. Gummi Kunstst. 63 (2010) 350–360
[5]	Oßwald, K., Reincke, K., Döhler, S., Heuert, U., Langer, B., Grellmann, W.: Aspekte der Alterung elastomerer Werkstoffe. KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 70 (2017) 8, S. 498–506, Download des Artikels als pdf-Datei (Quelle: www.gupta-verlag.de)
[6]	Reincke, K., Langer, B., Grellmann, W., Döhler. S., Heuert, U.: Alterung und Beständigkeitsuntersuchungen von Elastomerwerkstoffen. KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 67 (2014) 10, 60–67

Zusätzliche Literaturhinweise zur Alterung von Elastomeren:

• Oßwald, K., Reincke, K.: Effects of Antioxidants on the Aging Behavior of NR and SBR Materials. In: Heinrich, G., Kipscholl, R., Stoćek, R. (Eds.): Degradation of Elastomers in Practice, Experiments and Modelling. Book Series Advanced in Polymer Science Vol. 289, Springer Verlag (2022) pp. 167–183, ISBN 978-3-031-15163-7

• Rahmann, M.M., Oßwald, K., Langer B., Reincke, K.: Influenze of Plasticizers Basing on Renewable Sources on the Deformation and Fracture Behaviour of Elastomers. In: Heinrich, G., Kipscholl, R., Stoćek, R. (Eds.): Crack Growth in Rubber Materials – Experiments an Modelling. Book Series Advances in Polymer Science Vol. 286, Springer Verlag (2021) pp. 331–346, ISBN 978-3-030-68922-3