Experimentell gestützte Modellierung der chemo-thermomechanischen Alterung von Elastomeren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Johlitz
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 261108426

Kunststoffe und die aus solchen Werkstoffen konstruierten Bauteile haben enorme Bedeutung für industrielle Anwendungen, wie z.B. Lager, Dichtungen, Klebungen und Beschichtungen.Da die aufgezählten Bauteile in ihren Einsatzbereichen verschiedensten Umwelteinflüssen, Temperaturprofilen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, verändern sich ihre Eigenschaften mit der Zeit, was zu einer begrenzten Lebensdauer/Einsatzdauer führt. Um diesenZeitraum in Zukunft abschätzen zu können, besteht großes Interesse an Simulationsmethoden, die Lebensdauerprognosen unter Berücksichtigung komplexer Langzeitbeanspruchung ermöglichen. Hier setzt das beantragte Projekt an.In diesem Vorhaben geht es um die Modellierung der chemo-thermomechanischen Alterung von Elastomeren. Dieses Phänomen gehört zu den irreversiblen Alterungsprozessen. In einen Festkörper diffundiert ein anderes Medium hinein und löst nach einer gewissen Zeit, derInitialisierungsphase, eine chemische Reaktion mit dem Festkörper aus. Dieser Prozess ist bei Bauteilen endlicher Dicke inhomogen und kann thermisch aktiviert werden, d.h. eine Erhöhung der Temperatur bewirkt eine Beschleunigung des Alterungsprozesses.Aufbauend auf diesen Kenntnissen sollen experimentelle Alterungsuntersuchungen an Nitrilkautschuk (NBR) durchgeführt werden. Da dieses Material häufig für Dichtungen eingesetzt wird, sollen Mineralöle bei verschiedenen konstanten Temperaturen als Umgebungsmediendienen. Der Aufbau der experimentellen Datenbasis erfolgt zum Einen durch Verwendung von Proben im Labormaßstab, aber zum Anderen auch durch Proben mit endlichen Abmessungen, um inhomogene Diffusions-Reaktionsprozesse zu erfassen. Dazu wird das NBR bei konstanten Temperaturen einer Reihe von mechanischen, kalorimetrischen, chemoanalytischen und spektroskopischen Untersuchungen unterzogen. Der damit gewonnene Datensatz dient dem Aufbau und der Anpassung eines zu entwickelnden chemomechanisch gekoppelten Materialmodells, welches neben den für Elastomere typischen viskoelastischen Materialeigenschaften zusätzlich das Diffusions-Reaktionsverhalten des Festkörpers mit dem Umgebungsmedium erfasst, Quellprozesse berücksichtigt sowie chemische Abbau- und Aufbauprozesse impolymeren Netzwerk beschreiben kann. Zur Validierung soll mit dem fertig gestellten Modell ein typischer Alterungsprozess eines geeigneten Bauteiles simuliert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr.-Ing. Alexander Lion