Chemische Kopplung polymerer Werkstoffe mit funktionalisiertem PTFE-Mikropulver bzw. mit modifiziertem Polyethylen zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gottfried W. Ehrenstein (†)
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2002 bis 2008
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5387261

Das Ziel des geplanten Verbundforschungsvorhabens besteht in der Entwicklung neuartiger Werkstoffe für tribologische Anwendungen auf Basis von elastomeren, thermoplastischen und duromeren Grundwerkstoffen mit chemisch gekoppelten Polytetrafluorethylen-Mikropulvern (PTFE) bzw. inkorporiertem PE. Aus dem gesamten Spektrum der technischen Polymere werden repräsentative Vertreter aus den drei Kunststoffgruppen ausgewählt und für tribologische Einsatzgebiete entsprechend modifiziert. Carbonsäurefunktionalisierte PTFE-Mikropulver als Basismaterialien entstehen durch Strahlenmodifizierung von PTFE in Gegenwart von Sauerstoff. Die Synthese der speziell für die Kopplung mit anderen Polymersystemen modifizierten PTFE-Mikropulver bildet somit den Ausgangspunkt für die ingenieurtechnischen Arbeiten. Die Modifizierung von PA-66 durch chemische Kopplung mit maleinsäureanhydridgepfropftem Polyethylen (PE) mit der anschließenden selektiven Vernetzung des PE ist ein weiteres Arbeitsziel für vergleichende Untersuchungen zu den chemisch gekoppelten PTFE-Polyamidmaterialien. PTFE und PE zeichnen sich durch niedrige adhäsive Haftung bzw. Reibungszahl aus. PE besitzt zwar eine geringe Wärmeformstabilität, liegt aber preislich weit unterhalb von PTFE-Werkstoffen. Nach der Herstellung der neuen Werkstoffsysteme werden diese hinsichtlich der mechanischen und tribologischen Eigenschaften charakterisiert. Analog zu den Ergebnissen aus vorangegangenen Untersuchungen zur Herstellung und Charakterisierung von PTFE-Polyamid-6-Materialien am IPF und LKT wird durch die chemische Kopplung von PTFE bzw. PE mit den Matrixpolymeren anstelle der bisherigen physikalisch gebundenen Einlagerung die Verbesserung der tribologischen Eigenschaften und vor allem eine Erniedrigung der Reibungszahl und die Erhöhung der Verschleißfestigkeit angestrebt. Die chemisch gekoppelten PTFE bzw. PE-Werkstoffsysteme besitzen den Vorteil, dass die für die Verbesserung der tribologischen Eigenschaften verantwortlichen Zusatzstoffe nicht mehr aus der Matrix herausgerieben werden können. Es sind somit die werkstoff- und verfahrenstechnischen Grundlagen für völlig neuartige Tribowerkstoffe zu entwickeln. Ober die Untersuchung der Verarbeitungsbedingungen und eine erste Optimierung der tribologischen und Werkstoffeigenschaften werden grundlegende Erkenntnisse zu den Zusammenhängen zwischen den Strukturbildungsund Struktur-Eigenschaftsbeziehungen erarbeitet. Der Ausgangspunkt für die Forschungsarbeiten in diesem Verbundprojekt sind die bisher erfolgreich durchgeführten Arbeiten zu einer chemischen Kopplung zwischen PTFE und PA-6 am IPF. In einer Schmelzemodifizierungsreaktion (reaktive Extrusion) entstehen PTFE-PA-6-Blockcopolymere, die nach Abtrennung des PA-6-Matrixpolymers aus dem PTFE-PA-6-Material für die folgende Kopplungsreaktion mit Eiastomeren und Polyharnstoffen speziell modifiziert und den ingenieurtechnischen Projektpartnern (Teilprojekt 2 und 4) für die weiteren Untersuchungen zur Verfügung gestellt werden. Für die Elastomerkopplung werden die PTFE-PA-Produkte mit olefinischen Doppelbindungen modifiziert, die in der Mischungsherstellung bzw. während der Vulkanisation unter chemischer Kopplung mit dem Matrixelastomer reagieren. Analog reagieren die PTFE-PA-Produkte, speziell mit Hydroxy- und/oder Aminogruppen modifiziert, in der Polyharnstoffbildungsreaktion mit der lsocyanatkomponente unter Ausbildung kovalenter Bindungen. Die Untersuchungen zu den chemisch gekoppelten PTFE-PA-46- und PE-PA-66-Materialien bilden die Basis für die Entwicklung neuartiger Polyamid-Funktionswerkstoffe für tribologische Anwendungen mit erhöhten Anforderungen. Es werden Tribowerkstoffe angestrebt, die auch bei Trockenreibung günstige Gleitreibungseigenschaften und eine hohe Verschleißfestigkeit (auch bei erhöhten Einsatztemperaturen) aufweisen. Die erfolgreiche Bearbeitung des Verbundprojektes basiert auf der interdisziplinären Kooperation zwischen Chemikern und Ingenieuren. Die Grundlagenuntersuchungen zur Materialentwicklung werden an ausgewählten Entwicklungsprodukten bis zur Demonstratorstufe weitergeführt, an denen praxisorientiert die Materialeigenschaften ermittelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen