Entwicklung von Elastomeren geringer Dichte und hoher Verstärkung durch den Einsatz von faserigen Füllstoffen

Abstract

Ein schonender Umgang mit Ressourcen und die Erforschung neuer regenerativer Füllstoffe sind wesentliche Bestandteile bei der Entwicklung neuer Elastomer-Materialien. Eine vollständige oder anteilige Substitution des am weitesten verbreiteten Füllstoffs Ruß kann in diesem Zusammenhang einen wichtigen Beitrag leisten. In dieser Arbeit wurde die Eignung und das Verstärkungspotential des am häufigsten vorkommenden Biopolymers Cellulose als Füllstoff untersucht, welche eine faserige Morphologie und eine geringe Dichte aufweist. Durch die Einarbeitung einer wässrigen Cellulose-Suspension in einen Kautschuk-Latex kann die hohe spezifische Oberfläche der nanofibrillierten Cellulose (NFC) aufrechterhalten werden und ermöglicht so die Herstellung von Elastomeren, die eine hohe Verstärkung und geringe Dichte aufweisen. Es wurden verschiedene Elastomermatrices ausgewählt und grundlegend charakterisiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Einarbeitung von NFC, im Vergleich zu den hergestellten Referenz-Ruß-Systemen, in vielen Fällen zu vergleichbaren oder verbesserten Eigenschaften der Komposit-Materialien führt. Bei der Einarbeitung in eine Polychloropren-Matrix konnte gezeigt werden, dass die NFC-Materialien eine höhere Verstärkung bei niedrigeren Dehnungswerten aufweisen sowie mit steigendem Füllstoffgehalt eine deutliche Abnahme des Quellverhaltens einhergeht. Des Weiteren sind die Dichte-Werte die NFC-Materialien geringer als die der Ruß-Materialien. Die Permeabilität der Ruß- und NFC-Systeme ist ebenfalls vergleichbar. Außerdem wurde die etablierte Silica-Silan-Technologie auf Celluose übertragen, um eine Hydrophobierung und eine damit einhergehende bessere Verträglichkeit der polaren Cellulose gegenüber der unpolaren Polymermatrix zu erzielen. Zuvor musste jedoch ein zusätzlicher Verarbeitungsschritt durchgeführt werden, um die leichtflüchtigen Bestandteile, die durch das Sekundärlatexverfahren im Masterbatch zurückgeblieben sind, zu entfernen. Durch Plastifizierung der Masterbatch-Materialien konnten die leichtflüchtigen Komponenten entfernt und eine erfolgreiche Weiterverarbeitung gewährleistet werden. Die Einarbeitung verschieden modifizierter Cellulose-Varianten in eine Butylkautschuk-Matrix hat gezeigt, dass durch die Silanisierung der Cellulose die Polymer-Füllstoff-Wechselwirkungen erheblich verbessert werden konnte. Dies hat sich in einer Zunahme der Reißfestigkeit, einer Abnahme des Quellgrads und in einer deutlichen Reduktion der Permeabilität gezeigt. Die Auswirkungen des statischen und dynamischen Koagulationsverfahrens wurden ebenfalls untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass das dynamische Koagulationsverfahren („Continuous Dynamic Latex Compounding“, CDLC) zu einer besseren Füllstoffdispersion beigetragen hat und dadurch Elastomere hergestellt werden konnten, die bessere Materialeigenschaften aufweisen. Dies wurde unter anderem an Mischungen untersucht, bei denen Acrylnitril-Butadien-Kautschuk als Polymermatrix eingesetzt wurde.

Anhand der vorliegenden Ergebnisse und der breiten Untersuchungen in verschiedenen Polymeren konnte gezeigt werden, dass Cellulose eine nachhaltige Alternative zu den etablierten Füllstoffen darstellt und es möglich ist, Elastomere mit geringer Dichte und einer hohen Verstärkung herzustellen.

The efficient handling of resources and research into new regenerative fillers are essential components of the development of new elastomer materials. A complete or partial substitution of the most common filler carbon black can make an important contribution in this context. In this paper, the suitability and the reinforcement potential of the most common biopolymer cellulose as a filler was investigated as it has a fibrous morphology and low density. By incorporating an aqueous cellulosic suspension into a rubber latex, the high specific surface area of nanofibrillated cellulose (NFC) can be maintained, enabling the production of elastomers that feature high reinforcement and low density. Various elastomer matrices were selected and fundamentally characterized. It could be shown that the incorporation of NFC, compared to the manufactured reference carbon black systems, led to comparable or improved properties of the composite materials in many cases. When incorporated into a polychloroprene matrix, it could be shown that the NFC materials have higher reinforcement at lower elongation values and that the swelling behavior decreases significantly with increasing filler content. Furthermore, the density values of the NFC materials are lower than those of the carbon black materials. The permeability of the carbon black and NFC systems is comparable. In addition, the established silica-silane technology was transferred to cellulose in order to make the polar cellulose hydrophobic and thus more compatible with the non-polar polymer matrix. Before that, however, an additional processing step had to be carried out in order to remove the volatile components that remained in the masterbatch as a result of the secondary latex process. By plasticizing the masterbatch materials, the volatile components could be removed and a successful further processing ensured. The incorporation of differently modified cellulose variants into a butyl rubber matrix has shown that the polymer-filler interactions can be significantly improved by silanizing the cellulose. This was reflected in an increase in tear strength, a decrease in the degree of swelling and a significant reduction in permeability. The effects of the static and dynamic coagulation procedure were also studied. It could be shown that the dynamic coagulation process (“Continuous Dynamic Latex Compounding”, CDLC) has contributed to better filler dispersion and, as a result, it has been possible to produce elastomers with better material properties. This was investigated, among other things, on mixtures in which acrylonitrile butadiene rubber was used as the polymer matrix. Based on the present results and the broad investigations in different polymers, it could be shown that cellulose represents a sustainable alternative to the established fillers and that it is possible to produce elastomers with low density and high reinforcement.