Grundlegende rheologische Untersuchungen zur Bewertung der Extrudierbarkeit hochverstärkter Kautschukmischungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536806107

Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit sind zentrale Qualitätsmerkmale bei der Kautschukextrusion, da eine dem Werkzeug nachgeschaltete Kalibrierung nicht möglich ist. Die Qualitätsmerkmale werden durch das komplexe Fließverhalten des Kautschuks bestimmt und hängen von der Rezeptur, der Beanspruchung beim Mischen und der nachfolgenden Verarbeitung ab. Häufige Produktwechsel und schwankende Fließeigenschaften der diskontinuierlich hergestellten Kautschukmischungen führen zu hohen Ausschussquoten und erfordern eine ständige Anpassung des Extrusionsprozesses. Dabei wird auf Erfahrungswissen zurückgegriffen. Die Normalspannungselastizität und das Relaxationsverhalten beschreiben das Schwellverhalten und das Auftreten von Oberflächendefekten bei der Kautschukextrusion. Die Messung dieser Materialparameter erfolgt mithilfe von industriell etablierten Rheometern: dem Rubber Process Analyzer (RPA) und dem Hochdruck-Kapillarrheometer (HKR). Im beantragten Forschungsvorhaben sollen beide Rheometertypen verwendet werden, um grundlegende Zusammenhänge zwischen der Mischungsrezeptur von Kautschuken, der Mischungsherstellung und dem Schwellverhalten sowie dem Auftreten von Oberflächendefekten im Extrusionsverfahren aufzuzeigen. Vor dem Hintergrund, frühzeitig eindeutige Rückschlüsse von Interaktionen zwischen der Rezeptur und dem Mischprozess auf die Extrudierbarkeit zu ermöglichen, müssen die Effekte sämtlicher Einflussgrößen auf die viskoelastischen Eigenschaften quantifiziert werden. Dazu werden Kautschukmischungen unter Variation von Polymerstruktur, Füllstoffart und -menge hergestellt. Im Mischprozess wird die Polymer- und Füllstoffdispersion und Öleinarbeitung gezielt variiert, um die rheologischen Compoundeigenschaften zusätzlich zu verändern. Im RPA wird das Relaxationszeitspektrum bei konstanter Scherdeformation unter Variation von Temperatur und Dehnung ermittelt. Mittels HKR wird die erste Normalspannungsdifferenz bei stationärer Scherung unter Variation von Temperatur, Deformationsrate und Düsenlänge untersucht. Weiterhin erfolgt die Messung der wahren Temperatur der Extrudate sowie eine Evaluierung der Ausprägung von Fließinstabilitäten und der Schwellwerte. Extrusionsversuche von Mischungen mit stark unterschiedlichen Relaxationsverhalten und Normalspannungselastizität liefern unter Variation von Massetemperatur und Durchsatz die Datenbasis für die Beurteilung des tatsächlichen Verarbeitungsverhaltens. Hierzu wird ein eigens entwickeltes Extrusionswerkzeug in unterschiedlichen Kapillarlängen verwendet. Es wird bewertet, wie sich Rezeptur und Mischungsherstellung auf die Relaxationszeit und die Normalspannungselastizität auswirken. Basierend auf einer Gegenüberstellung des viskoelastischen Materialverhalten mit der phänomenologischen Rheometrie erfolgt anhand von Kennfeldern der Deborah-Zahl und Weissenberg-Zahl eine beanspruchungsabhängige Beurteilung der Schwellneigung und dem Auftreten von Schmelzebruch.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen