Modelling of the chemo-thermomechanical ageing of elastomers based on experimental investigations

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Michael Johlitz
• Subject Area: Mechanics
• Term: from 2015 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 261108426

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Die chemische Alterung ist für technische/industrielle Anwendungen von Elastomeren ein entscheidendes Qualitätskriterium. So kann davon ausgegangen werden, dass das mechanische Verhalten von Strukturbauteilen, die Elastomere enthalten (z.B. Motorlager, Dichtungen, Schläuche, etc.) abhängig von der chemischen Alterung ist. Durch das entwickelte kontinuumsmechanische Materialmodell kann die chemische Alterung homogen bzw. inhomogen berechnet und vorhergesagt werden. Dadurch steigert sich die Qualität im Entwicklungsprozess der genannten Bauteile. Im Projekt wurden umfangreiche experimentelle und theoretische Untersuchungen zu dem mechanischen und Alterungsverhalten von NBR durchgeführt. Ein thermodynamisch konsistentes Modell im Rahmen der finiten Thermoviskoelastizität wurde unter Berücksichtigung des Diffusionsreaktionsverhaltens von Sauerstoff und des Einflusses der Antioxidantien formuliert. Das Konzept der inneren Variablen wurde verwendet, um den Einfluss der Alterung auf die Materialeigenschaften zu modellieren. Alle Modellparameter wurden mit Hilfe verschiedener experimenteller Methoden an gealterten und ungealterten NBR-Proben identifiziert. Dabei wurde ebenfalls der Einfluss diverser Umgebungsmedien (Luft, Öl) berücksichtigt. Die Materialparameter, die sich auf das Alterungsmodell und die Diffusionsreaktionsgleichungen beziehen, wurden ebenfalls erfolgreich angepasst. Die Ergebnisse der einzelnen Simulationen stimmen sehr gut mit den zugrunde liegenden Messungen überein. Anschließend wurden die resultierenden partiellen Differentialgleichungen, Evolutionsgleichungen und konstitutiven Gleichungen des zu lösenden Mehrfeldproblems in einer kommerziellen FE-Software implementiert. Schließlich wurde der kontinuumsmechanische Modellierungsansatz erfolgreich validiert und so kann mit diesem Modell die chemo-thermomechanische Alterung von Elastomeren simuliert und damit der Einfluss auf die Materialeigenschaften in Ort und Zeit dargestellt werden, was für eine Lebensdauervorhersage der Gummikomponenten notwendig sein kann.

Publications

• (2020) On the inhomogenous chemo-mechanical ageing behaviour of nitrile rubber: experimental investigations, modelling and parameter identification. Continuum Mech. Thermodyn. (Continuum Mechanics and Thermodynamics) 32 (1) 127–146
  Musil, Bruno; Böhning, Martin; Johlitz, Michael; Lion, Alexander
  
• [2015]: An experimental set-up to analyse the oxygen consumption of elastomers during ageing by using a differential oxygen analyser, Continuum Mech. Therm., Volume 27, Issue 6, 1009-1017
  Herzig, A., M. Johlitz and A. Lion
  
• [2015]: Chemical ageing of polymers - experiments and modelling, Proceedings of the 9th European conference on constitutive models for rubber (ECCMR), Volume 9, 75-79
  B. Musil, M. Johlitz & A. Lion
  
• [2015]: Experimental Investigation of the Dynamic-Mechanical Behaviour of Chemically Aged Elastomers, Arch. Appl. Mech., Volume 85 Number 8, 1011-1023
  Rabanizada, N., F. Lupberger, M. Johlitz and A. Lion
  
• [2015]: Experimental Investigation on the Consumption of Oxygen and its Diffusion into Elastomers During the Process of Ageing, Proceedings of the 9th European conference on constitutive models for rubber (ECCMR), Volume 9, 23-28
  Herzig A., M. Johlitz, and A. Lion
  
• [2015]: Zum Alterungsverhalten von Polymeren: Experimentell gestützte, thermo-chemomechanische Modellbildung und numerische Simulation, Universität der Bundeswehr München, Habilitation
  M. Johlitz
  
• [2016]: Consumption and diffusion of oxygen during the thermoxidative ageing process of elastomers, Mat.-wiss. u. Werkstofftech., Volume 47, Issue 5, 376-387
  Herzig A., M. Johlitz and A. Lion
  
• [2017]: A modelling approach for the heterogeneous oxidation of elastomers, Continuum Mech. Therm.
  Herzig, A., L. Sekerakova, M. Johlitz & A. Lion
  
• [2017]: Modeling and simulation of couplings between chemical aging and dissipative heating in dynamic processes on the example of an NBR elastomer, Constitutive Models for Rubber X: Proceedings of the European Conference on Constitutive Models for Rubbers X, (ECCMR 2017), 83-90
  B. Musil, M. Johlitz & A. Lion
  
• [2017]: Modelling of reaction-diffusion induced oxidation of elastomers in two spatial dimensions by means of ADI method, Constitutive Models for Rubber X: Proceedings of the European Conference on Constitutive Models for Rubbers X, (ECCMR 2017), 33-38
  Herzig, A., M. Johlitz & A. Lion
  
• [2017]: Nitrile rubber—the influence of acrylonitrile content on the thermo-oxidative aging, Constitutive Models for Rubber X: Proceedings of the European Conference on Constitutive Models for Rubbers X, (ECCMR 2017), 91-94
  Vozarova, L., M. Johlitz, A. Lion & M. Koberl
  
• [2017]: Sorption experiments on elastomers assisted by Gas Chromatography/Mass Spectrometry (GC/MS), Constitutive Models for Rubber X: Proceedings of the European Conference on Constitutive Models for Rubbers X, (ECCMR 2017), 267-271
  Blivernitz, A., T. Förster, S. Eibl, A. Lion & M. Johlitz
  
• [2018]: Ageing Phenomena in Polymers: A Short Survey, Adhesive Joints: Ageing and Durability of Epoxies and Polyurethanes (eds W. Possart and M. Brede), Pages 167-204, Online ISBN:9783527803743
  A. Herzig, M. Johlitz & A. Lion
  
• [2018]: On the ageing behaviour of NBR: chemomechanical experiments, modelling and simulation of tension set, Continuum Mech. Thermodyn., Pages 1-17
  B. Musil, M. Johlitz & A. Lion
  
• [2019]: Design of the novel tensile creep experimental setup, characterisation and description of the long-term creep performance of polycarbonate, Polymer Testing, Vol. 75, pages 151-158
  S. Jorik, A. Lion & M. Johlitz