Neue Erkenntnisse zur Kavitation in Gummimaterialien

Gummi ist ein wichtiges Material, das in vielen Branchen verwendet wird, darunter Autoindustrie, Bau und Konsumgüter. Einer der Hauptgründe für die breite Nutzung ist seine einzigartige Fähigkeit, sich zu dehnen und in seine ursprüngliche Form zurückzukehren, bekannt als Viskoelastizität. Allerdings kann selbst der robusteste Gummi im Laufe der Zeit Probleme bekommen. Faktoren wie Alterung, Temperaturänderungen und Abnutzung können das Material schwächen, was zu inneren Schäden führt, die als Kavitation bekannt sind – winzige Löcher oder Hohlräume, die sich im Gummi bilden.

Kavitation ist ein grosses Problem, besonders bei Reifen. Die Komplexität der Reifenherstellung und die harten Bedingungen auf der Strasse machen sie besonders anfällig für innere Schäden. Daher sind die Branchen darauf aus, Wege zu finden, um Kavitation im Gummi zu erkennen und zu messen, um die Produktqualität zu verbessern und die Lebensdauer der Produkte zu verlängern.

Es gibt verschiedene Methoden, um Kavitation im Gummi zu untersuchen. Zugversuche sind zum Beispiel gängig, um die physikalischen Eigenschaften eines Gummis zu bewerten. Während Zugversuche wertvolle Statistiken über Gummi liefern, können sie nicht zeigen, was im kleinen Massstab im Gummi passiert. Andere Methoden wie Mikroskopie können Oberflächendetails zeigen, aber sie können oft keine inneren Strukturen erfassen, ohne umfangreiche Probenvorbereitung.

Die Mikro-Computertomographie (CT) ermöglicht detaillierte Einblicke in das Innere von Gummi-Produkten, hat aber Einschränkungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Auflösung. Eine vielversprechende Technik ist die Small-Angle X-ray Scattering (SAXS), die es ermöglicht, interne Strukturen auf verschiedenen Skalen in einem Durchgang zu untersuchen. SAXS war effektiv bei der Charakterisierung von Kavitation im Gummi, aber ältere Geräte hatten Begrenzungen hinsichtlich der zu messenden Skalen.

Neue Technologien wie Ultra Small-Angle X-Ray Scattering (USAXS) können Kavitation und strukturelle Veränderungen im Gummi im Bereich von Nanometern bis zu mehreren Mikrometern während der Dehnung messen. Diese Studie verwendet ein speziell entwickeltes Gerät, das mehrere Gummiproben für Hochdurchsatzmessungen aufnehmen kann.

#Methodik

Ein einzigartiges Gerät wurde entwickelt, um Gummiproben zu dehnen und die Kavitationseffekte in Echtzeit mithilfe von USAXS zu messen. Dieses Gerät kann bis zu 15 Proben effizient halten und sie bis zu sieben Mal ihrer ursprünglichen Grösse dehnen. Die Proben bestehen aus einer Mischung aus Polymermatrix mit Silica und Öl, wobei die spezifischen Mengen variiert werden, um ihre Auswirkungen auf das Kavitationsverhalten zu untersuchen.

Der Dehnungsprozess wird parallel zu den Messungen durchgeführt. Eine Kamera verfolgt die Bewegung von reflektierenden Markern auf den Proben, um genaue Messungen der Deformation sicherzustellen. Bei jedem Dehnungsgrad werden USAXS-Muster erfasst, um die Kavitationseffekte zu analysieren.

Das Dehnungsgerät ermöglicht einen quasi-statischen Messprozess, was bedeutet, dass die Veränderungen in den Proben effektiv über die Zeit aufgezeichnet werden können, während die Dehnung angewendet wird.

#Probenvorbereitung

Die in dieser Studie verwendeten Proben wurden von einem Hersteller von Automobilteilen bereitgestellt. Drei verschiedene Gummimischungen wurden durch Variieren der Mengen von drei Hauptzutaten hergestellt: Polymer (Styrol-Butadien-Kautschuk), Silica und Öl. Die Gummimischungen wurden gemischt und durch einen kontrollierten Prozess gehärtet. Die fertigen Proben wurden gemäss den Industriestandards vorbereitet.

Jede Probe wurde getestet, um ihre physikalischen Eigenschaften, einschliesslich Spannung und Härte, zu messen. Diese Eigenschaften bestimmen, wie gut der Gummi unter Belastung funktioniert und wie wahrscheinlich es ist, dass Kavitation auftritt.

#Ergebnisse

Mit der neuen USAXS-Technik fand die Studie heraus, dass selbst bevor eine Belastung angewendet wird, die Gummiproben ein charakteristisches Streumuster zeigten. Während der Gummi gedehnt wird, ändern sich die Muster. Die interne Struktur des Gummis beginnt sich in die Richtung der angewandten Dehnung auszurichten, was zeigt, wie sich der Silica-Füllstoff im Gummi verhält.

Bei höheren Dehnungsgraden treten bemerkenswerte Veränderungen in den Mustern auf, die auf die Bildung von Hohlräumen hinweisen. Speziell erscheinen Streifen in den Mustern, die auf das Vorhandensein von inneren Hohlräumen hindeuten. Das signalisiert die Entwicklung von Kavitation, was zu weiteren Materialschäden führen kann.

#Kavitationdynamik

Die Analyse der Streumuster ermöglichte es den Forschern zu bestimmen, wann Kavitation beginnt und wie sie fortschreitet. Indem die Muster während der Dehnung beobachtet werden, konnten die Forscher den Punkt sehen, an dem Hohlräume zu bilden beginnen. Das ist entscheidende Information zur Verbesserung der Haltbarkeit von Gummiprodukten.

Die Rate, mit der Hohlräume entstehen, variierte je nach Zusammensetzung der Gummimischung. Proben mit mehr Füllstoffen zeigten eine höhere Rate an Kavitation im Vergleich zu denen mit mehr Polymer. Das deutet darauf hin, dass das Gleichgewicht zwischen Polymer und Füllstoff die Stabilität der inneren Struktur unter Stress beeinflusst.

#Grösse der Hohlräume

Die Grösse der Hohlräume variierte ebenfalls je nach Zusammensetzung. Die Studie nutzte ein Verfahren, das die Länge und Form der Hohlräume während ihrer Bildung misst. Es wurde festgestellt, dass selbst bei einer Erhöhung des Polymeranteils die durchschnittliche Grösse der Hohlräume nicht signifikant variierte. Das deutet darauf hin, dass das Verhalten der Gummimatrix selbst eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Kavitation spielt.

#Auswirkungen auf die Gummiherstellung

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, wie wichtig die Gummizusammensetzung für seine Widerstandsfähigkeit gegen Kavitation ist. Eine Gummimischung, die zu viel Füllstoff im Verhältnis zum Polymer hat, könnte anfälliger für interne Schäden sein. Im Gegensatz dazu zeigt eine Gummimischung, die den Polymergehalt favorisiert, eine bessere Strukturintegrität unter Stress.

Durch das Verständnis der Dynamik der Hohlraumformation können Hersteller ihre Gummirezepturen anpassen, um die Leistung und Langlebigkeit zu verbessern. Diese Forschung bildet eine Grundlage für weitere Untersuchungen zu Gummimaterialien und kann zu verbesserten Formulierungen führen, die besser gegen Abnutzung standhalten.

#Fazit

Zusammenfassend zeigt diese Studie effektiv, wie USAXS angewendet werden kann, um Kavitation im Gummi während der Dehnung zu beobachten. Durch präzise Messungen können die Forscher Einblicke in die inneren Strukturen von Gummimischungen und deren Reaktionen auf Stress gewinnen. Die Ergebnisse betonen das kritische Gleichgewicht zwischen Polymer- und Füllstoffkomponenten in Gummimaterialien. Das Verständnis dieser Wechselwirkungen kann helfen, Gummiprodukte zu entwickeln, die resistenter sind, was verschiedenen Branchen, die auf Gummi-Komponenten angewiesen sind, zugutekommt.

Weitere Forschungen könnten diese Ergebnisse erweitern, indem sie verschiedene Konzentrationen von Silica und Polymer untersuchen und tiefere Einblicke in die Verbesserung von Gummiformulierungen für industrielle Anwendungen bieten.