Modifizierung von styrolbasierten TPS mit Kurzfasern

In einer zweijährigen Forschungskooperation zwischen dem Kunststoff-Zentrum SKZ in Würzburg und dem Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung Rudolstadt e.V. (TITK) wurden besondere thermoplastische Elastomere so mit Kurzfasern modifiziert, dass die entstehenden Verbundmaterialien ihren möglichen Einsatzbereich noch weiter in Anwendungen bringen, die sonst Gummiwerkstoffen vorbehalten sind – und das bei vollständiger Recyclingfähigkeit.

Thermoplastische Elastomere vereinen die besten Eigenschaften von vernetzten Gummimaterialien und thermoplastischen Kunststoffen: Sie sind hoch flexibel, können immer wieder thermoplastisch umgeformt und einfach werkstofflich recycelt werden. Aus ihrem chemischen Aufbau resultiert auch, dass sie thermisch und dynamisch weniger belastbar sind als „klassische“ Gummierzeugnisse. Vor allem weisen sie eine hohe bleibende Verformung unter Last sowie eine deutlich höhere Kriechneigung bei  langanhaltender oder dynamischer Beanspruchung auf. Um bestehende TPE-Produktgruppen in der beschriebenen Weise werkstofflich „aufzuwerten“ oder in andere, bisher dem Gummi vorbehaltene, Marktsegmente vorzudringen, wurde in einem gemeinsamen Forschungsvorhaben von SKZ und TITK ein thermoplastisches Styrol-Elastomer (TPS) durch den Einsatz von speziellen Kurzfasern modifiziert. Rückstellverhalten und Dauereinsatztemperatur konnten dadurch deutlich über das spezifische Niveau konventioneller TPE erhöht werden. Die hoch flexiblen Eigenschaften des Materials, seine dynamische Belastbarkeit sowie die hohe Bruchdehnung konnten jedoch beibehalten werden, ebenso wie die Werkstoffhärte und -dichte.

Innerhalb des Projektes wurden zahlreiche Materialien und deren Kombinationen mittels eines speziell dafür ausgelegten Aufbaus einer Doppelschnecken-compoundierung (COPERION ZSK 26 MCC, Coperion GmbH, Stuttgart) am SKZ verarbeitet. Die Fasermaterialien konnten durch die Vorbereitung am TITK ohne Probleme in die Compoundierlinie zudosiert werden. Zum Einsatz kam eine gravimetrische Dosieranlage (Typ „ISC-CM“, BRABENDER TECHNOLOGIE GMBH & CO. KG, Duisburg). Der Gesamtaufbau der Anlage enthielt zudem eine Unterwassergranulierung Typ SPHERO 50 der MAAG Germany GmbH, Großostheim). 

Wird ein Prozess mit seinen mehrdimensionalen Zusammenhängen von zahlreichen Eingangsparametern und vielen spezifischen Materialergebnissen analysiert, sind ein statistischer Versuchsplan und eine Korrelationsanalyse geeignete Mittel hierzu. Im Projekt wurden drei Materialhärten, zwei Faserarten, fünf unterschiedliche Faseranteile und zwei Additiv-arten variiert. Untersucht wurde ihr jeweiliger Einfluss auf die Dichte des Werkstoffs, seine Härte, den Druckverformungsrest bei drei Temperaturen, den Weiterreißwiderstand sowie die Reißdehnung und Reißfestigkeit im Zugversuch. Unter Verwendung der SKZ-eigenen Software MESOS® wurden durch einen sogenannten differenzoptimierten Plan aus der großen Vielzahl von möglichen Versuchen 25 repräsentative Einstellungen abgeleitet.

Als Ergebnis konnte neben der Erarbeitung wissenschaftlicher und anwendungstechnischer Grundlagen eine TPS-Beispielrezeptur mit zwei Gewichtsprozent PES Fasern verifiziert werden, die deutliche Vorteile bei dem für Dichtungsaufgaben so wichtigen Druckverformungsrest unter hohen Temperaturen aufweist. Dieses Compound erweist sich zudem unter Temperatur und Last als mechanisch widerstandsfähiger und konnte gleichzeitig alle technisch geforderten Eigenschaften an Flexibilität, Dynamik und Härte erfüllen. Zudem wurden alle Compounds mittels der Messmethode „TSSR“ (Temperature Scanning Stress Relaxation) charakterisiert (TSSR-Meter, Fa. BRABENDER GmbH & Co. KG, Duisburg) und in ihrem Relaxationsverhalten gegenüber Wärme auch in Bezug auf Gummiwerkstoffe eingeordnet.

Die Ergebnisse dieses öffentlich geförderten Forschungsvorhabens können Firmen für eigene
Entwicklungen nutzen. Dabei unterstützt das SKZ gerne mit seinem breiten Dienstleistungsangebot entlang der gesamten Wertschöpfungskette von Kunststoffen.

Dr.-Ing. Michael Bosse

Dr.-Ing. Frédéric Achereiner

SKZ - KFE gGmbH

Friedrich-Bergius-Ring 22

97076 Würzburg

www.skz.de

Dr. Axel Nechwatal

TITK Rudolstadt

Breitscheidstraße 97

07407 Rudolstadt

www.titk.de/

Förderung

Das Vorhaben 20837 BG der Forschungsvereinigung FSKZ e. V. wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die  Forschungseinrichtungen SKZ und TITK danken dem BMWK und der AiF für die Förderung sowie der Forschungsvereinigung und den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses für die Unterstützung bei der Durchführung des Forschungsvorhabens.