Dieser Beitrag erschien zuerst als Poster, auf dem Gemeinschaftsstand der Firmen Brabender® GmbH & Co. KG. und Ludwig Nano Präzision GmbH, auf der Kuteno 2022.
Autoren: T. Janssen, D. Ludwig, J. Ludwig, M. Schwarz
Bestimmung des Vernetzungsgrades von Kautschukmischungen mittels TSSR-Verfahren und LNP-Mikroindentor DMA
Hintergrund
Dichtungen, insbesondere O-Ringe werden aus Elastomer-Rundsträngen hergestellt. Sie sind während ihrer Verwendung verschiedenen Einflüssen ausgesetzt, z. B. hohen oder niedrigen Temperaturen, mechanischen Beanspruchungen oder dem Kontakt mit Chemikalien. Diese Einflüsse können sich negativ auf die Wirksamkeit der Dichtung auswirken. Eine höhere Quervernetzungsdichte, verursacht z. B. durch den Einfluss von Chemikalien, wirkt sich insofern negativ aus, dass das Material härter und spröder wird und damit seine Dichtwirkung reduziert wird. Hingegen verändert sich das Material bei zu geringer Quervernetzungsdichte dahingehend, dass es weicher wird und seine Form und Festigkeit verliert. Daher ist die analytische Ermittlung der Quervernetzungsdichte von großer Bedeutung für die Sicherstellung der Produktqualität von Dichtungen. Das Ziel dieser Studie war es, den Einfluss von Extrusionsparametern auf die Quervernetzungsdichte eines Materials durch zwei verschiedene Messmethoden zu ermitteln. Hierzu wurden Analysen mit einem TSSR-Meter (Temperature Scanning Stress Relaxation) sowie dem LNP® 3DC Messgerät durchgeführt.
Material
Rezeptur: gemäß ASTM D3191,
Verwendung von SBR1500,
SBR1502, Ruß N660
Abb. 1: Extrudierter Elastomer-Rundstrang
Abb. 2: Brabender Extruder 19/10 DW
Abb. 3: Extrudierter Rundstrang
Abb. 4: TSSR-Messung an S2-Stäben ‒ Spannungs- und Temperaturverlauf
Geräte
- LabStation (500Nm Version) & MesskneterB350S (Brabender)
- Einschnecken-Extruder KE19/10 DW (Brabender)
- TSSR-Meter (Brabender)
- LNP® 3DC Messgerät
Abb. 5: Analyse der S2 Prüfstäbe und Ergebnisse als Diagramm mit dem LNP® 3DC Messgerät
Tab. 1: Messwerte der TSSR-Analyse
Abb. 6: Messkurven der drei Messungen v.l.n.r. Sample ID 1500-V6-9min, 1500-V5-6min, 1500-V4-3min
![Korrelationskurve einer Kautschukmischung zwischen TSSR-Vernetzungsdichte ν [mol/m³] und Mikroindentor-DMA Ergebnissen z.B. Speichermodul E´ [N/mm²]](https://lnp-systems.com/wp-content/uploads/2022/05/Korrelationskurve-einer-Kautschukmischung-zwischen_1-1024x206.png)
![Korrelationskurve einer Kautschukmischung zwischen TSSR-Vernetzungsdichte ν [mol/m³] und Mikroindentor-DMA Ergebnissen z.B. Speichermodul E´ [N/mm²] und Legende](https://lnp-systems.com/wp-content/uploads/2022/05/Korrelationskurve-einer-Kautschukmischung-zwischen2-1.png)
Abb. 7: Korrelationskurve einer Kautschukmischung zwischen
TSSR-Vernetzungsdichte ν [mol/m³] und Mikroindentor-DMA
Ergebnissen z.B. Speichermodul E´ [N/mm²]
Ergebnisse: Die Analyse mittels TSSR-Meter zeigt, das ein Quervernetzen erst ab einer Zeit von 9 Minuten erfolgt.
Abb. 8: Inhomogenität der Vernetzungsdichte direkt am Bauteil
Abb. 9: Messergebnisse der Vernetzungsdichte am O-Ring als Diagramm
Methoden
- Herstellung der Prüfstäbe: 150 °C, 400 bar, Presszeit 3, 6 und 9 min
- Herstellung der O-Ringe durch Extrusion von Elastomer-Strängen
- TSSR: Messung mit Startemperatur: 23°C, Max. Temperatur: 210°C, Heating rate: 2 K/min, Strain: 50 % & Isoth. Relaxation: 2h
- LNP® 3DC: Indentationsmessung mit 0,2 mmTastspitze und 100 mN Messkraft. Modulationskraft: 20 mN mit 1 Hz & 12 Modulationen.
Fazit
Die Vernetzungszeit wirkt sich auf die Ausprägung der Quervernetzung in Elastomeren aus. Durch das Ermitteln des Entspannungsverhaltens können
Rückschlüsse auf die Struktur gezogen werden.
Die Verfahren der 3DC und der TSSR Analyse sind geeignete Methoden, um diese Ausprägung sowie Auswirkung zu ermitteln. Während mittels TSSR die Vernetzungsdichte gemessen wird, ist es durch das 3DC Messverfahren möglich, die Topographie der gesamten Oberfläche eines Prüfkörpers zu ermitteln.