Literaturrecherche, Darstellung des Standes der Forschung, Durchführung von Lagerungsversuchen zur Ermittlung des Einflusses synthetischer Kraftstoffe auf Elastomere, detaillierte chemisch-analytische Charakterisierung der synthetischen Kraftstoffe, Untersuchung der Zusammensetzung der Elastomere vor und nach der Lagerung, Untersuchung des Kraftstoffeinflusses auf das Quellverhalten und mechanische Verhalten der Elastomere, Entwicklung chemisch-analytischer Methoden zur Bestimmung des Anteils synthetischer Komponenten in Kraftstoffgemischen, Vorhersage der Kraftstoffeigenschaften.

 

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 diesen Zeitraum 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, der Initialisierungsphase, 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 Umgebungsmedien dienen. 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 im polymeren Netzwerk beschreiben kann. Zur Validierung soll mit dem fertig gestellten Modell ein typischer Alterungsprozess eines geeigneten Bauteiles simuliert werden.

 

Motivation für den Forschungsantrag ist, den ständig steigenden Kosten beim Produktentstehungsprozess von Elastomerlagern ein Verfahren zur numerischen Bewertung des Temperatureinflusses auf die Betriebsfestigkeit der Bauteile entgegenzustellen und somit eine effizientere Vorauslegung in diesem Punkt zu ermöglichen. Die wirtschaftliche Relevanz für klein und mittelständischen Unternehmen (KMU) ist insofern gegeben, als das diese an vielen Stellen des Produktentstehungsprozesses von Elastomerlagern eine hohe Wertschöpfung haben.