GAK - Gummi Fasern Kunststoffe

Issue 11 | 2015

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Editorial
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Die Flüchtlingskrise und anderes …

Können Sie das ganze Krisengerede auch nicht mehr hören? Die wie immer geartete Öffentlichkeit, sei es die in Deutschland, in unseren Nachbarländern, in der EU oder gleichgültig wo, scheint jedenfalls ohne Krise nicht auskommen zu können. Was haben wir nicht schon alles an Krisen zu bewältigen gehabt:

Bildungskrise, Beschäftigungskrise, Energiewende/-krise, Eurokrise, Griechenlandkrise, um nur einige wenige zu nennen. Gibt es die Griechenlandkrise überhaupt noch? Sind alle diese Krisen eigentlich bewältigt oder angesichts der derzeit die öffentliche Diskussion bestimmenden Flüchtlingskrise erst einmal unter den Tisch gekehrt worden, bereit, wieder hervorgeholt zu werden, wenn es an Krisen mangelt?


Wird die Flüchtlingskrise unsere erste dauerhafte Krise sein? Das Potenzial dazu ist sicherlich gegeben.
Bleiben wir daher also bei der Flüchtlingskrise, die so „völlig unerwartet“ über uns hereingebrochen ist. Was da jetzt alles in diesem Zusammenhang geschehen ist, geschieht und noch geschehen wird, war in den vergangenen Jahren und ist anscheinend auch heute, wenn man Politikern glauben darf, absolut nicht vorhersehbar. Wirklich?


Wenngleich man die Situationen nicht vergleichen darf, aber wie kann es möglich sein, dass Politiker in selbstgefälliger Art und Weise und dennoch berechtigt hierzulande einem Autokonzern, der mehr als 11 Mio. Fahrzeuge zurückholen muss, die Pistole auf die Brust setzen und innerhalb weniger Wochen Lösungskonzepte abverlangen, wenn sie selbst innerhalb von Monaten/Jahren nicht in der Lage waren und sind, Pläne zu entwickeln, mit der heraufziehenden Flüchtlingswelle umzugehen, obwohl sie über eine qualifizierte und ausreichend große administrative Organisation verfügen? Haben wir als „Wahlvolk“ nicht ein Recht auf Konzepte und deren konsequente Umsetzung zum Umgang mit der Flüchtlingskrise, ein Recht auf ehrliche Information, auch um Volksverführern den Boden zu entziehen?


Können wir denn nicht eigentlich von den von uns gewählten Politikern etwas mehr Professionalität erwarten? Hätten Sie jemals geglaubt, dass sich EU-Politiker, statt eigene Strategien zu entwerfen und zu realisieren, bei einem „lupenreinen Demokraten“ wie dem türkischen Präsidenten Recep T. Erdog˘an anbiedern, weil sie anscheinend keine anderen Auswege sehen, weil die EU keine gemeinsame Flüchtlingspolitik zustande bringt? Immerhin hat es ja die Türkei – anscheinend ohne großes Aufheben – geschafft, inzwischen deutlich mehr als 2 Mio. Flüchtlinge „unterzubringen“.


Kürzlich merkte ein UN-Jugenddelegierter im Interview an: „Wir haben festgestellt, dass Jugendliche“ (vielleicht auch Erwachsene) „nicht politikverdrossen sind, sondern politikerverdrossen.“ Schlimm, dass es so weit kommen konnte, aber vielleicht hat jeder von uns die Chance, im Vorfeld der nächsten Wahl – gleich auf welcher Ebene – mit unseren potenziellen Vertretern über unsere Erwartungen an die Politik zu diskutieren. Möglicherweise hilft es.


Ihr
Ernst Debie

Article
734
Die Entwicklung schwefel­funktioneller Silane als Kopplungs­reagenzien in kieselsäure­verstärkten Gummi­mischungen – Ihre historische Entwicklung über mehrere Jahrzehnte

Die Verwendung von Kieselsäure als aktiver Füllstoff in Gummivulkanisaten erfordert in nahezu allen Anwendungen den Einsatz eines bifunktionellen Silans, um deren Verstärkungspotenzial vollständig ausnutzen zu können. In vielen Einsatzgebieten ist die Schwefelvulkanisation die bevorzugte Methode, zeichnet sie sich im Besonderen durch überlegene dynamische Eigenschaften der Bauteile aus. Durch die Möglichkeit der schwefelfunktionellen Silane direkt an der Schwefelvulkanisation zu partizipieren, hat sich diese Substanzklasse als bevorzugtes Kopplungsreagenz in der schwefelbasierten Vulkanisation silicagefüllter Gummimischungen durchgesetzt. Dieser Artikel beschreibt die historische Entwicklung der Schwefelsilane während der letzten Dekaden in vier Stufen.


The application of silica as active filler for rubber vulcanisates requires, in almost all cases, the use of a bifunctional silane in order to achieve its complete reinforcement potential. Due to the outstanding advantages specifically in the dynamic properties of the resulting parts, sulphur vulcanisation is the crosslinking method of choice in many application fields. Since sulphur-functional silanes have the capability to directly participate in the sulphur vulcanisation this substance class has been accepted as the preferred coupling agent for sulphur-based vulcanisation of silica filled rubber compounds. This paper outlines in four stages the history of the sulphur-silane development during the last decades.

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739
Vernetzungsstellen – Ihre Verteilung und ihr Einfluss auf Alterung und physikalische Eigenschaften

Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen ist zumeist sehr stark von der Temperatur abhängig. Bei der Vulkanisation ist daher die Temperaturgeschichte der Mischung vor dem Einbringen in die Form und dem darauf folgenden Schließen von großer Bedeutung. Im Fall der Fertigung im Kompressionsverfahren wird der kalte Rohling in eine vorgeheizte Form eingelegt und die Form geschlossen. Bis nun die Formentemperatur die thermisch ungünstigste Stelle in der Mitte eines Teiles erreicht hat, vergeht einige Zeit, in der die äußeren Bezirke schon vulkanisieren. Dies bedingt eine ungleiche Verteilung der Vernetzungsstellen. Anders ist es im Fall des Spritzgießens. Hier wird eine in einem Extruder vorplastifzierte und erwärmte Mischung in die Verteilerkanäle einer Form eingespritzt, so dass beim Fließen in die Kavität durch die Reibung und die Scherung die Mischung weiter erwärmt wird und nach dem Füllen in etwa die Formentemperatur erreicht hat. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Vernetzungsstellen. Dieses so erzeugte Netzwerk verändert sich allerdings mit der Zeit in Abhängigkeit von Temperatur und umgebendem Medium. Einerseits wird das Netzwerk abgebaut, andererseits aber wird ein zweites Netzwerk aufgebaut. Die Messung dieser Änderungen wird aufgezeigt und an einem Beispiel die Folgen mit Hilfe der FEA simuliert.


The velocity of chemical reactions mostly depends very strongly on temperature. With regard to the vulcanisation process the thermal history of the compound is of major importance before feeding the mould and the subsequent closing of the mould. In case of compression moulding the cold raw compound is placed into the pre-heated mould and then the mould is closed. It takes some time until the mould temperature has reached the thermally most challenging point in the middle of a part while its outer areas will already have started vulcanising. This induces an inhomogeneous distribution of the crosslinks. In case of injection moulding this is different. Here, a compound – pre-plastified and heated in the screw feeder – is injected into the runner system of the mould with the result that the compound is further heated up by friction and shear while flowing into the cavity and will have approximately reached mould temperature after filling. This leads to a more homogeneous distribution of the crosslinks. The network generated in this way, however, changes with time depending on temperature and surrounding medium. On the one hand the network will be degraded, but on the other hand a second network will be formed. The measurement of these changes will be pointed out and consequences will be exemplified using FEA simulation.

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Möglichkeiten zur Funktionalisierung von Kunststoffen

Kunststoffe zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Eigenschaften in einem weiten Bereich den Anforderungen angepasst werden können. Die Veränderung der chemischen Struktur lässt sehr weitgehende Änderungen der Eigenschaften zu, kommt aber nur in solchen Fällen in Frage, in denen die meist erheblich höheren Produktionskosten für Spezialpolymere durch die angestrebte Anwendung gerechtfertigt sind. Demgegenüber können die Eigenschaften auch der gängigen Polymere durch Zusatzstoffe wie beispielsweise Additive, Verarbeitungshilfsmittel, Füllstoffe oder Verstärkungsfasern, aber auch durch spezielle Effektstoffe z. B. zur Einstellung der elektrischen Leitfähigkeit oder Wärmeleitfähigkeit, angepasst werden. Dadurch lassen sich vorhandene Eigenschaften stärken, aber auch neue einführen. Praktisch alle technisch eingesetzten Kunststoffe sind daher bereits Compounds, so dass im Prinzip eine Anpassung der ­Rezeptur meist möglich ist. Allerdings ist eine Rezepturentwicklung heute oft sehr komplex, da viele gegenläufige Anforderungen berücksichtigt werden müssen. Der Einsatz von mathematischen Methoden zur Versuchsplanung, kombinatorische Versuchspläne und statistische Versuchsplanung, sowie Methoden zur Durchführung ­umfangreicher Versuchspläne in kurzer Zeit (High Throughput Screening) können helfen, den Entwicklungsaufwand so weit zu reduzieren, dass Spezialitäten auch bei ­kleineren ­Volumina wirtschaftlich sinnvoll werden. Dies ist vor allem interessant für neue Anwendungen, stark gestiegene Anforderungen, neue Basispolymere, z. B. ­biogene Kunststoffe, sowie für Neuentwicklungen, die durch den Wegfall bestimmter Komponenten aufgrund geänderter Gesetzgebung kurzfristig nötig sind.


Plastics are characterised by the possibility to adjust their properties in a wide ­range according to the requirements for the desired application. Changing the chemical structure allows extensive changes of properties. However, it is economically ­viable only in situations where the desired application justifies the substantially higher production cost for small scale specialties. On the other hand, the properties of standard polymers can also be adjusted, e. g. by the addition of additives, processing aids, fillers, or reinforcing fibres, but also by components that cause certain effects such as electrical or heat conductivity. Already existing properties can be enhanced, and new ones can be introduced in this way. Almost all technically used plastics are composites, so in principle an adjustment of the recipe is possible. ­However, the development of an adjusted recipe can be very complex, since many ­aspects, often with conflicting requirements, must be considered. Mathematical ­design of ­experiments – combinatorial plans and statistical experimental design – combined with methods for running a large number of experiments in a short time (high throughput screening) can help to reduce the development costs. Thus, specialities can become economically viable even at low volumes. This is especially interesting for new applications, substantially increased requirements, new base polymers such as bio­genic polymers, and developments or reformulations that have become necessary due to unavailability of certain raw materials because of changes in legislation.

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750
Einfluss des Acrylnitril-Gehalts auf die mechanischen Eigenschaften von elastomeren Werkstoffen

Elastomere Werkstoffe unterliegen im Bereich der Erdöl- und Erdgasindustrie extremen Einsatzbedingungen (Medien, Temperaturen und Drücken). Basierend auf diesen extremen Einsatzbedingungen kann nur eine Handvoll Materialien in diesem Bereich eingesetzt werden. Speziell hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk zeichnet sich in dieser Anwendung aufgrund seiner exzellenten Ölbeständigkeit in Kombination mit sehr guter Alterungsbeständigkeit aufgrund der gesättigten Polymer-Hauptkette aus. In dieser Studie wird der Einfluss des Acrylnitrilanteils auf die grundlegenden mechanischen Eigenschaften, die Risszähigkeit und das Permeationsverhalten untersucht. Insbesondere wird das „Rapid-Gas-Decompression“-Verhalten, das schlagartige Versagen von unter Druck stehenden Elastomerbauteilen bei Entlastung, betrachtet. Im Detail wurden drei unterschiedliche Modellwerkstoffe basierend auf ­hydriertem Acrylnitrilbutadien-Kautschuk mit unterschiedlichem Acrylnitrilgehalt untersucht. Neben der dynamisch-mechanischen Materialanalyse, wurde die Reißfestigkeit mittels Winkelprobekörper bestimmt. Darüber hinaus wurde der Messaufbau mit einem dreidimensionalen optischen Oberflächendehnungs-Messsystem ausgestattet, um neben der Oberflächendehnung auch das Risswachstum der unterschiedlichen Materialien aufzeigen zu können. Des Weiteren wurden diese Ergebnisse mit Permeationsuntersuchungen sowie Rapid-Gas-Decompression-Experimenten korreliert, um ein Verständnis des Materialverhaltens zu generieren und einen zielorientierten Materialentwicklungsprozess zu ermöglichen.


Elastomeric materials used in the oil and gas industry are exposed to extreme operating conditions (different media, high temperature and pressure). Due to these harsh conditions only a handful materials are applicable in this field. Especially hydrogenated acrylonitrile butadiene rubbers are characterised by excellent oil resistance in combination with a very good ageing resistance, based on the saturated polymer backbone. In the present study the impact of the acrylonitrile content on basic mechanical properties, the crack resis­tance and the permeation behaviour of the elastomer will be evaluated. Particularly, the rapid gas decompression behaviour, the spontaneous failure of pressurised elastomeric parts during decompression, will be investigated. The performance of three different model elastomers with varying acrylonitrile content based on hydrogenated acrylonitrile rubbers was studied in detail. Besides the dynamic mechanical characterisation, the tear resistance was measured using angle specimens. Furthermore, the test setup was equipped with a three dimensional optical surface strain measurement system in order to investigate not only the surface strain but also the crack growth behaviour of the different materials. Finally, these results were correlated with permeation measurements as well as rapid gas decompression tests to generate an understanding of the material’s behaviour and to enable a targeted material development process.

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762
Einfluss des Gough-Joule-Effekts auf die Spannungs­zustände in elastomeren Zylinderkörpern bei Druck­belastungen und Temperatur­zunahme unter Berücksichtigung seiner rezepturbedingten Ausprägung

Elastomere Dichtprofile, deren Verpressung im Einbaufall bei Raumtemperatur stattfindet, weisen bei nachfolgender Temperaturerhöhung eine deutliche Zunahme in der statischen Dichtkraft auf. Diese Kraftzunahme kann durch die thermische Ausdehnung alleine nicht erklärt werden. Das Verhalten beruht auf thermodynamischen Ursachen und verstärkt sich mit steigender Temperatur und einem zunehmenden Verpressungsgrad des Dichtprofils. Dieses Verhalten soll die treffende Bezeichnung thermoelastisches Kraftzuwachspotenzial erhalten und kann aus phänomenologischer Sicht auch als Gough-Joule-Effekt unter Druckbelastung erklärt werden. Der Einfluss der chemischen Netzwerkdichte, der Rußkonzentration, der Rußaktivität und der Polymerviskosität auf die Ausprägung des thermoelastischen Kraftzuwachspotenzials wird detailliert dargestellt. Durch ihren einfachen Rezepturaufbau sind FKM-­Mischungen für diese Untersuchungen gut geeignet, da sie zudem auch häufig als Dichtungswerkstoffe eingesetzt werden. Inspiriert durch die Fachbuchreihe „Constitutive Models for Rubber“ wird ein halbempirisches Modell für peroxidisch vernetzte FKM-Elastomermischungen vorgestellt, das auf den Messergebnissen für diese Arbeit basiert und den Einfluss verschiedener Rezepturbestandteile und deren Konzentrationen auf das thermoelastische Kraftzuwachspotenzial mathematisch beschreibt. Des Weiteren sind einfache FEM-Berechnungen an zylindrischen Elastomerkörpern mit und ohne Berücksichtigung des thermoelastischen Kraftzuwachspotenzials durchgeführt worden, welche die Auswirkungen auf das axiale und radiale Spannungsfeld im Probenquerschnitt unter statischer Verpressung und bei 100 °C aufzeigen. Die Ergebnisse nichtisothermer Zugversuche mit einem identischen Spannungsniveau werden den Druckversuchen gegenübergestellt. Dieser Vergleich wird die in dieser Arbeit vorgestellten Zusammenhänge stützen.


Elastomeric sealing profiles whose compression in the assembly process takes place at room temperature will show – during a subsequent temperature rise – significant increase of the static sealing force. This increase in force cannot only be explained by thermal expansion alone. This behaviour is due to thermodynamic causes and will be enhanced with rising temperature and with the compression rate of the sealing profile. Such behaviour shall be named with the appropriate designation “thermo-elastic force increment potential” and can be explained from a phenomenological point of view as Gough-Joule effect under compressive load as well. The influence of the chemical crosslink density, the concentration of carbon black, the activity of carbon black as well as the polymer viscosity on the occurrence of the thermo-elastic force increment potential will be presented in detail. Thanks to their simple configuration FKM compounds are well suited for such evaluations and furthermore because they are often used as sealing materials. Inspired by the textbook series “Constitutive Models for Rubber” a semi-empirical model is presented for peroxide cured FKM rubber compounds which is based on the test results having been established for this paper and which mathematically depicts the influence of diverse compound ingredients and their concentration on the thermo-elastic force increment potential. In addition, basic FEM calculations – with and without taking the thermo-elastic force increment potential into account – have been conducted for cylindrical elastomer specimens, which show the impact on the axial and radial stress areas within the transverse section under compressive load and at 100 °C. The results of non-isothermal static tensile tests with identical stress level are compared to the tests under compressive load. This comparison will support the correlations being presented in this publication.

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Report
759
Nachbericht zum 15. Schwarzheider Kunststoffkolloquium

Für die BASF Schwarzheide GmbH ist es ein Jahr der Jubiläen: 125 Jahre BASF, 85 Jahre Chemiestandort Schwarzheide (mit sehr wechselhafter Geschichte), 25 Jahre BASF Schwarzheide GmbH. In die Reihe dieser Jubiläen passte sich gut das 15. Schwarzheider Kunststoffkolloquium ein, eine Veranstaltung, die ihre eigenen Traditionen entwickeln sollte. Auch in dieser Veranstaltung gab es wie gewohnt starke Präsentationen von namhaften Praktikern und Unternehmen. Die Veranstaltung wurde begleitet von Firmeninformationsständen und Postern zu neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen auf den Gebieten der Kunststoffverarbeitung, von strukturchemischen Problemen und den Eigenschaften biobasierter Polymere. Zu Beginn der Veranstaltung das übliche Zeremoniell: Der Vertreter des Ministers für Wirtschaft und Energie des Landes Brandenburg referierte über Stand, Möglichkeiten und Zukunft des Landes. Dabei fand die BASF Schwarzheide GmbH als – neben der Braunkohlenindustrie – größter Arbeitgeber im Land besondere Berücksichtigung. Als Vertreter der BASF Schwarzheide GmbH berichtete Dr. C. von Ettingshausen über die erfreulichen geschäftlichen Ergebnisse der Firma und deren Aussichten als drittgrößtes Unternehmen der BASF SE in Europa.

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