Chemische Kopplung polymerer Werkstoffe mit funktionalisiertem PTFE-Mikropulver bzw. mit modifiziertem Polyethylen zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die chemische Kopplung/Kompatibilisierung von Polytetrafluorethylen (PTFE) mit Polyamiden konnte 1998 erstmals vom IPF nachgewiesen werden. Diese Arbeiten bildeten die Basis zu diesem interdisziplinären Verbundforschungsvorhaben: - IPF: chemische Grundlagen und Bereitstellung von entsprechend modifizierten PTFE-Ausgangsstoffen sowie Materialien über reaktive Extrusion, chemische Analyse dieser Materialien - LKT: Untersuchung der Material- und der tribologischen Eigenschaften der chemisch gekoppelten PA46-PTFE- (Projektphase 1) und der PA66-PE-Materialien (Projektphase 2) - IKV: Herstellung der chemisch gekoppelten NBR-PTFE-Materialien – Untersuchung der Verarbeitungsparameter auf die Elastomereigenschaften - ILK: Herstellung der chemisch gekoppelten Duromer-PTFE-Materialien und Untersuchung der Material- und der tribologischen Eigenschaften; ferner Untersuchung der tribologischen Eigenschaften der NBR-PTFE-Materialien (IKV) Die Ergebnisse wurden in regelmäßigen Treffen ausgewertet und die folgenden Arbeitspläne präzisiert. In der ersten Projektphase wurde eine neue Variante zur Funktionalisierung der PTFE-Mikropulver zu speziellen PTFE-Oligoamiden entwickelt, die für die Kopplung mit Elastomeren und für den Einsatz in Polyharnstoffen speziell modifiziert wurden. Überraschend wurde festgestellt, dass die nach einer Strahlenmodifizierung vorliegenden persistenten Radikale ebenfalls für Modifizierungs-/Pfropfreaktionen genutzt werden können. Neben den Modifizierungsarbeiten wurden die analytischen Methoden zur Charakterisierung der Versuchsprodukte weiterentwickelt sowie erste Optimierungen zu den Modifizierungsparametern durchgeführt. Die Bereitstellung entsprechend modifizierter PTFE-Produkte in kleintechnischen Mengen für die Projektpartner nahm einen wesentlichen Teil der Zeit in Anspruch und war ein wichtiger Arbeitsschwerpunkt der interdisziplinären Forschungsarbeit. Die Untersuchung der chemisch gekoppelten PA46-PTFE-Materialien im LKT im Vergleich mit der physikalischen Mischung (LNP) in Projektphase 1 belegt die Verbesserung der tribologischen Eigenschaften hinsichtlich Gleitreibung und Verschleißfestigkeit sowohl in der Einlaufphase als auch im stationären Betrieb im Fall der Trockenreibung. In Projektphase 2 führte die chemische Kompatibilisierung von PE in einer PA66-Matrix durch reaktive Extrusion mit anschließender selektiver Strahlenvernetzung zu einem Material mit sehr fein dispergierter PE-Phase und stabiler Verarbeitungsmorphologie. Im Vergleich zum kommerziellen Ultramid A3R (physikalische Mischung, BASF) wurde ein stark verbessertes Gleitreibungs- und Verschleißverhalten im Stift/Scheibe-Versuch festgestellt. Bei Raumtemperatur weisen die chemisch kompatibilisierten, strahlenvernetzten PA66-LDPE-Tribomaterialien das beste Eigenschaftsniveau auf. Bei Temperaturen von über 100°C zeigen die analogen PA66-HDPE-Compounds die günstigeren Eigenschaften. Die im Modellversuch ermittelten Zusammenhänge wurden durch Gleitlagerversuche bestätigt. Diese neuen Materialien können als Werkstoffe für Maschinenelemente, die hohen tribologischen Belastungen ausgesetzt sind, verwendet werden. Der Einsatz speziell mit Methacrylatgruppen modifizierter PTFE-Mikropulver zur chemischen Kopplung in NBR sowie die direkte Kopplung von PTFE-Mikropulverprodukten mit (Rest-)Radikalen zur NBR-Kopplung wurde im IKV in der Projektphase 1 in Richtung der Untersuchung der Mischparameter/PTFE-Einmischverhalten bearbeitet. In Projektphase 2 wurden diese Untersuchungen mit weiteren PTFE-Modifikaten aus dem IPF abgerundet und in Richtung Nachweis der chemischen Kopplung vertieft. Zur Untersuchung des Payne-Effektes war es notwendig, PTFE-Mikropulver gleicher Kornstruktur radikalfrei und strahlenmodifiziert einzusetzen. In Elastomermaterialien bildet das PTFE die „harte“ Phase, die unter Gleitreibungsbedingungen in die „weiche“ Elastomerphase gedrückt wird. Ferner konnten im ILK erste Abhängigkeiten der tribologischen Eigenschaften von der Bestrahlungsdosis des PTFE festgestellt werden. Die Bestrahlungsdosis von 500 kGy führt zu einer Radikalkonzentration im PTFE-Mikropulver, die zu einer hohen Kopplungsrate an NBR auf dem PTFE-Partikel führt. Die sozusagen „versiegelte“ PTFE-Mikropulveroberfläche führt folglich zu schlechteren tribologischen Eigenschaften. Im ILK wurden das mit Hydroxygruppen-modifizierte PTFE-Oligoamid-Mikropulver in die Polyharnstoff-PTFE-Duromere-Herstellung eingesetzt. Mit Erhöhung des PTFE- Anteils wurde erwartungsgemäß die Erniedrigung der Reibungskoeffizienten sowie des Verschleißes festgestellt. Da die aromatische Diamin-Komponente für die Polyharnstoffherstellung als toxisch und kanzerogen gilt, wurde in der Projektphase 2 das Materialsystem in Richtung Polyurethan-PTFE-Duromer geändert, wobei zusätzlich zum o.g. PTFE-Oligoamid-Produkt speziell durch Pfropfung hydroxy-modifizierte PTFE-Mikropulver vergleichend eingesetzt wurden. Die Aussagen insgesamt waren vergleichbar. Als problematisch wurde die Homogenisierung des modifizierten PTFE- Mikropulvers im Harzmaterial eingeschätzt, was bei Fortsetzung der Arbeiten primär gelöst werden muss. Abschließend wird eingeschätzt, dass in diesem interdisziplinären Verbundprojekt grundsätzliche Zusammenhänge und wesentliche Erkenntnisfortschritte sowohl für die chemische als auch die ingenieurtechnischen Arbeitsrichtungen erarbeitet werden konnten. Diese Grundlagen bilden eine solide Basis für künftige Entwicklungen von chemisch gekoppelten/kompatibilisierten Polymer-PTFE-Werkstoffen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Chemical Coupling of Rubber Polymers with Modified PTFE Micro Powder During Rubber Mixing. ANTEC 2004 Conference Proceedings, Chicago, IL.
Edmund Haberstroh, Christian Linhart, Dieter Lehmann, Bernd Klüpfel, Werner Hufenbach, Klaus Kunze
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Kopplung von PTFE mit Kautschuk – eine neue elastomere Werkstoffklasse. 6th Kunststoff-Herbst-Kolloquium, Hannover 10.–13.10.2004
Lehmann, D.; Klüpfel, B.; Heinrich, G.; Linhart, C.; Haberstroh, E.; Kunze, K.
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Modifizierung von PTFE-Mikropulvern für die chemische Kopplung mit Polymerwerkstoffen. DFG-Berichts- und Antragskolloquium, Programmgruppe “Vom Molekül zum Material“, Cluster “Reaktive Grenz- und Oberflächenmodifizierung bei der Verarbeitung. Bonn", 20.04.2004
Klüpfel, B.; Lehmann, D.; Dallner, C.; Linhart, C.; Kunze, K.
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Verbesserte tribologische Eigenschaften von PA4.6 durch chemische Kopplung mit PTFE. In: Tribologie-Fachtagung. Göttingen, 27.–29.09.2004
Dallner, C.; Künkel, R.; Ehrenstein, G.W.; Lehmann, D.; Klüpfel, B.
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Controlling of the rubber compounding process in the internal mixer with statistical mathematical analytic methods. In: Kautschuk Gummi Kunststoffe 58 (2005) 3, S. 174-180
Haberstroh, E.; Linhart, C.
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Coupling between PTFE and rubber - A new elastomeric material. In: Kautschuk Gummi Kunststoffe 59 (2005), 226-229
B. Klüpfel, D. Lehmann, G. Heinrich, C. Linhart, E. Haberstroh, K. Kunze, W. Hufenbach, C. Dallner, R. Künkel, G.W. Ehrenstein
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Funktionalisierung von bestrahlten PTFE-Mikropulvern mittels radikalischer Pfropfcopolymerisation und Kopplung mit olefinisch ungesättigten Polymeren. 13. Neues Dresdner Vakuumtechnisches Kolloquium, Oktober 2005, Dresden
B. Klüpfel, D. Lehmann, C. Dallner, R. Künkel, G.W. Ehrenstein
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Neue PTFE-Polyamid-Materialien und ihre Anwendungen. Fachtagung Fluorpolymere, April 2005, Würzburg
D. Lehmann, G. Adam, U. Geißler, L. Häusler, B. Hupfer, A. Jahnke, D. Jehnichen, B. Klüpfel, U. Lappan, K. Lunkwitz, G. Pompe, G. Reinhart, U. Staudinger, R. Franke, I. Haase, K. Kunze, W. Hufenbach, C. Dallner, G.W. Ehrenstein
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Radikalisch gekoppelte PTFE-Polymer-Pulver und Verfahren zu ihrer Herstellung. DE 103 51 813 A1 (Offenlegung 16.06.2005)
D. Lehmann, B. Klüpfel
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Verbesserte tribologische Eigenschaften von PA4.6 durch chemische Kopplung mit PTFE. Tribologie und Schmierungstechnik 52 (5) (2005) 19-26
C. Dallner, R. Künkel, G. W. Ehrenstein, D. Lehmann, B. Klüpfel
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Chemische Kopplung von PA66 mit PE zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von Maschinenelementen. In: Tribologie und Schmierungstechnik 53 (2006) 4, S. 25–31
Dallner, C.
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Funktionalisierte Werkstoffe - Werkstoffkombinationen erweitern Eigenschaftsspektren. In: Tagungsband des 23. Internationalen Kunststofftechnischen Kolloquiums, Institut für Kunststoffverarbeitung, Aachen, 2006
Michaeli, W.; Haberstroh, E.; Linhart, C.; Schmitz, T.; Lambertz, S.; Pfefferkorn, T.
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J. Appl. Polym. Sci. 101(5), 2819-2824 (2006)
B. Klüpfel, D. Lehmann
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Verbesserte tribologische Eigenschaften von Elastomeren durch PTFE Pulver. In: Kautschuk Gummi Kunststoffe 59 (2006) 9, S. 447–453
E. Haberstroh, C. Linhart, E. Epping, T. Schmitz
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Verbesserung der Reibeigenschaften von Elastomeren durch Einarbeitung von PTFE-Mikropulver. In: Tagungsband der Deutschen Kautschuktagung, S. 241-245, Nürnberg, 2006
Haberstroh, E.; Linhart, C.; Epping, K.
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Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von Elastomeren durch Einarbeitung von PTFE-Mikropulver. 7. Kautschuk-Herbst-Kolloquium, Deutsches Institut für Kautschuktechnologie, Hannover, 2006
Haberstroh, E.; Linhart, C.; Köppen, H.
