Problemstellung

Elastomerwerkstoffe sind unabdingbar für dynamisch beanspruchte, temperatur -und medienbeständige Bauteile. Ihre Lebensdauer wird durch externe Faktoren, wie Ozon-, Sauerstoff- und Temperatureinfluss sowie einwirkende Lastkollektive, maßgeblich beeinflusst. Diese Einflüsse führen zu funktionslimitierenden Materialveränderungen, die irreversibel sind und im schlimmsten Fall zu einem Ausfall des Bauteils führen können. Aufgrund ihrer Mikrostruktur stellt der Einfluss von Ozon insbesondere für Dien-Kautschuke, wie z. B. NR, BR, NBR und SBR, ein großes Problem dar. Nur durch die Zugabe von Ozonschutzmitteln oder von gesättigten Polymeren (soweit ausreichend verträglich) kann der Ozonangriff am Kautschuk verhindert werden. Der Schädigungsmechanismus ist eine elektrophile Addition des Ozons an Doppelbindungen, z. B. des Polymerrückgrats mit anschließenden Degradationsreaktionen. In den letzten Jahrzehnten haben sich spezielle p-Phenylendiamine wie z. B.  „6PPD“ aufgrund ihrer hervorragenden kombinatorischen Schutzwirkung gegen Ozon und Sauerstoff bewährt, aktuell steht insbesondere 6PPD jedoch aufgrund seiner ökologischen und toxikologischen Bedenklichkeit in der Diskussion (REACH). An dieser Stelle besteht zukünftig die Notwendigkeit, effiziente Ersatzstoffe zu finden und ihre Wirkungsweisen zu kennen.

Ziel

Hintergrund des Vorhabens ist die Notwendigkeit geeignete Alternativen zu dem von REACH voraussichtlich in Zukunft regulierten 6PPD zu finden. Daraus ergibt sich das Ziel auf dem Markt verfügbare und per Literatur bekannte Möglichkeiten des Ozonschutzes (Additive, polymere Blendsysteme) für Polydiene auf Ihre Effizienz (Wirkung pro Konz.-Einheit) zu untersuchen. Hierzu zählen auch Aspekte wie die chemische Verträglichkeit bzw. Löslichkeit von Ozonschutzadditiven in unterschiedlichen für das Projekt zu definierenden Kautschukmatrices, um Probleme wie Entmischung und Ausblühverhalten zu erfassen, sowie das optimale Verhältnis zwischen Konzentration und Wirkung in technisch-relevanten Mischungsmatrices herauszufinden. Unter dem Aspekt der Langzeitwirkung von ozonschützenden Additiven ist es auch ein Ziel, Erkenntnisse zur Kinetik des Verbrauchs sowie ihrer Diffusionseigenschaften zu erlangen. Ein besonderer, in der Praxis wiederholt beobachteter und zu untersuchender Aspekt ist eine durch ungünstige Prozessparameter zur Formgebung und Vulkanisation ggf. im Material hervorgerufene Spannung, welche die Ozonschädigung trotz Gegenwart von Ozonschutzmitteln deutlich erhöht.

Lösungsweg

Neben ungefüllten Modellsystemen sollen insgesamt auch gezielt ausgewählte praxisnahe Mischungen auf Basis von Kautschuken unterschiedlicher Doppelbindungskonzentrationen in der Hauptkette mit verschiedenen Ozonschutzmitteln (marktverfügbar, Literatur) und 6PPD als Referenz im Untersuchungsprogramm betrachtet werden. Es sollen folgende Schritte im Lösungsweg nach detaillierter Abstimmung mit den Projektpartnern verfolgt werden:

1.    Festlegung der Systeme (Polymermatrices, Ozonschutz). Die Auswahl erfolgt nach repräsentativen chemischen Strukturen und zu erwartenden Wirkmechanismen

2.    Mischungs- und Vulkanisatherstellung mit umfassender chemischer und physikalischer Grundcharakterisierung (z. B. auch Doppelbindungskonzentration an der Oberfläche)

3.    Charakterisierung des Verbrauchs (Kinetik) von Ozonschutzmitteln bei unterschiedlicher Verstreckung des Materials (Kurzzeit-Ozontests bei erhöhter Ozonkonzentration, zeitabhängige quantitative Analysen des Ozonschutzmittelgehalts).

4.    Chemische Analysen zu Reaktionsprodukten und Beschreibung von Schädigungsmechanismen in Abhängigkeit verschiedener Ozonschutzmittel.

5.    Systematische Ermittlung optimaler Konzentrationen an Ozonschutzmitteln

6.     Verträglichkeits-, Diffusions- und Löslichkeitsuntersuchungen von Blendpartnern (gesättigte Polymere als Ozonschutz) und inneren Ozonschutzmittel in ausgewählten Kautschukmatrices.

Methoden: Ozontest, Time lag-Methode (Diffusionskoeffizienten), (ATR)-FT-IR Spektroskopie, Extraktion, LC-MS, GC-MS DSC, Mischungsherstellung/Laborkneter, Vulkanisation/Presse, Mikroskopie,  physikalische Prüfmethoden nach DIN/ISO.

Wissenschaftlicher und wirtschaftlicher Nutzen

Mit Hilfe der Erkenntnisse zu Wirkung, Effizienz und Verträglichkeit von Ozonschutzmitteln ergibt sich der wirtschaftliche Nutzen dieses Vorhabens insbesondere in Erkenntnissen zur Findung alternativer Ozonschutzmittel im Hinblick auf die zukünftige Regulierung des Einsatzes von 6PPD. Verbesserter Ozonschutz liefert zudem finanzielle Einsparungen bei ausbleibenden Reklamationsfällen. Bei Kenntnis der optimalen Effizienz und Wirkung von Ozonschutzmitteln resultiert eine Einsparung von Rohstoffen und den damit verbundenen Kosten.

Organisation:
•    Förderung durch Industriepartner (Konsortium)
•    Laufzeit:  2,5 Jahre
•    Kosten: 90.000 EUR/Jahr, Umlage auf Partner, max. 20.000 EUR zzgl. Mwst. pro Teilnehmer und Jahr

Bei Interesseund für Details bitte Rückmeldung bis 28.02.2021 an: