Fundamental research on foaming of elastomers with water as physical blowing agent and description of mechanisms of foaming
Synthesis and Properties of Functional Materials
Final Report Abstract
Das physikalische Schäumen mit Wasser als Treibmittel stellt eine Alternative zum chemischen Schäumen dar. Das Wasser verdampft parallel zur Vernetzungsreaktion im Vulkanisationsofen und kann somit als Treibmittel genutzt werden. Ungelöste Problemstellungen beim Schäumen mit Wasser als Treibmittel war die homogene Dispergierung des Wassers in der Kautschukmischung sowie die Kontrolle des zeitlich veränderlichen Wassergehaltes. Weiterhin waren die Wirkbeziehungen zwischen der rezepturbedingten Vernetzungs- und Treibreaktion, den Verarbeitungsparametern in der kontinuierlichen Extrusion und den resultierenden mechanischen Eigenschaften sowie der Schaumstruktur unbekannt. Durch eine Anbindung des Wassers an pulverförmige hygroskopische Trägersubstanzen (Silica und Ruß) sowie in Form von Kristallwassern (Hydraten) ist eine homogene Einarbeitung des Wassers in Kautschukmischungen möglich. Abhängig von der Polarität und Hygroskopie der Mischungsbestandteile ändert sich der Wassergehalt der Kautschukmischung mit der Lagerungsdauer infolge von Diffusionsvorgängen deutlich. Während in einer unpolaren EPDM-Mischung der mittels Silica als Trägersubstanz eingemischte Wassergehalt bereits am Tag der Mischungsherstellung von 1 Gew.-% auf 0,3 Gew.-% absinkt, ist in einer polaren NBR-Mischung noch 0,7 Gew.-% Wasser enthalten. Der zeitlich veränderliche Wassergehalt ist problematisch für das Schäumen, da dieser die resultierende Schaumstruktur des Elastomers beeinflusst. Durch die Verwendung von Hydraten (kristallin gebundenes Wasser) als Trägersubstanz wird die Problematik des zeitlich veränderlichen Wassergehaltes umgangen. Des Weiteren hat das Calciumsulfat-Dihydrat (CaSO4∙2H2O) im Vergleich zu hygroskopischen Substanzen wie Kieselsäuren (Silica) eine für das Schäumen von Kautschuken geeigneten höheren Temperaturbereich für die Desorption des Wasserdampfes. Für die Entstehung einer geschlossen- und feinporigen Schaumstruktur muss dem Druck in den expandierenden Zellen ein entsprechender Widerstand der Matrix entgegenwirken. Dies wird durch eine ausreichend hohe Viskosität der Kautschukmischung und eine kurze Inkubationszeit des Vernetzungssystems bewirkt. Die eingemischte Wassermenge sollte möglichst gering sein (< 0,5 Gew.-%), da es infolge einer hohen Wasserdampfmenge beim Aufschäumen zu Koaleszenz von Zellen kommen kann, was zu einem Kollabieren der Schaumstruktur führt. Es wurde herausgefunden, dass die resultierende Schaumstruktur sowohl material- als auch prozessseitig beeinflusst werden kann. So kann auch wasserbeladenes Silica mit einer, im Vergleich zu Calciumsulfat-Dihydrat niedrigeren Freisetzungstemperatur des Wasserdampfs, durch eine geeignete Temperaturführung mittels ultrahochfrequenter Mikrowellenstrahlung (UHF) zu einer homogenen und feinporigen Schaumstruktur im Kautschuk führen. Die Erwärmung im Inneren eines Kautschukprofils und damit Vulkanisation mit UHF wird durch die Polarität der Kautschukmischung zusätzlich beschleunigt. Die im gesamten Profilquerschnitt auftretenden hohen Heizraten durch UHF-Erwärmung begünstigen eine schnell ablaufende Vernetzungsreaktion und aufgrund der zeitlich verzögerten Verdampfung des Wassers eine Verschiebung des Aufschäumens zu höheren Temperaturen und Vernetzungsgraden, sodass eine feinporige homogene Schaumstruktur entsteht. Da bei einer Vulkanisation mit Heißluft (HL) und Infrarotstrahlung (IR) der Temperaturgradient von der Oberfläche zur Profilmitte abnimmt, entsteht eine über dem Querschnitt inhomogene Zellgrößenverteilung. Im Vergleich zu chemisch geschäumten EPDM und NBR ist die Härte der geschäumten Proben niedriger, was auf die gröbere Schaumstruktur und die niedrigere Vernetzungsdichte von wassergeschäumten Elastomeren zurückzuführen ist. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass Wasser zum Schäumen von Elastomeren eine Alternative zum chemischen Schäumen darstellen kann. Der Stand des Wissens wurde über die Zusammenhänge zwischen den material- und prozessseitigen Einflussgrößen auf die resultierenden Eigenschaften von mit Wasser als physikalischem Treibmittel geschäumten Extrudaten erweitert.
