Rasterkraftmikroskopische Charakterisierung des Zusammenhangs zwischen Nanostruktur und nanomechanischen Eigenschaften von Elastomeren

Abstract

Elastomermischungen stellen ein komplexes Multiphasensystem dar, in dem Bestandteile wie Elastomere, Füllstoffe und weitere Additive (z.B. Harze) unterschiedliche Morphologien ausbilden. Diese beeinflussen die mechanischen Eigenschaften der Mischungen. Daher ist es von Interesse, beide im selben Maßstab zu charakterisieren. Die Rasterkraftmikroskopie wurde hierzu unter Verwendung des neuen Modus PF-QNM eingesetzt, der nach seiner englischen Bezeichnung „Peak Force - Quantitative Nanomechanical Mapping“ abgekürzt wird. Zunächst erfolgte eine Validierung des Rasterkraftmikroskops (AFM) durch Charakterisierung der Morphologie von Elastomerblends in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung, der Polymerart und deren chemischer Mikrostruktur (Vinyl-konzentration). Die Änderungen in der Morphologie wurden direkt durch das AFM visualisiert und die Ergebnisse mit indirekten Verfahren wie der dynamischen Differenz-kalorimetrie bestätigt. Eine bessere Mischbarkeit der Elastomere mit steigender Vinyl-konzentration wurde nachgewiesen und mit den polaren Anteilen der jeweiligen Oberflächenenergien erklärt. Zusätzlich wurden die Einflüsse von Zusammensetzung und chemischer Mikrostruktur auf die Blendmorphologie sowie die daraus resultierenden nanomechanischen Eigenschaften diskutiert und mit makroskopischen Werten korreliert. Bei der Untersuchung der Füllstoffverteilung in diesen Blends wurde eine Präferenz des Rußes und des Silikas für Naturkautschuk festgestellt. Mit steigender Vinylkonzentration der Synthesekautschuke wurden die Füllstoffe aufgrund der steigenden Polarität auch in diesen lokalisiert. Der unzureichend verstandene Einfluss von Heiztemperatur und -zeit auf die Blend-morphologie von Elastomeren wurde ebenso mittels AFM untersucht. Bei verschiedenen Heiztemperaturen zeigte sich, dass die Domänengröße bei niedrigeren Heiztemperaturen ansteigt, das Domänenwachstum jedoch beim Erreichen der Anvulkanisationszeit gestoppt wird. Dieser Effekt erklärt sich dadurch, dass eine längere Anvulkanisationszeit bei niedriger Heiztemperatur die Phasentrennung erleichtert. Jedoch führt eine kurze Anvulkanisations-zeit bei höheren Heiztemperaturen dazu, dass die Koaleszenz der Domänen durch die schnellere Vernetzung zwischen den Polymerketten gehindert wird. Des Weiteren wurde der Synergismus von Ruß und Harz festgestellt. Ein kompakteres Füllstoffnetzwerk wurde visualisiert, das die verbesserten mechanischen Eigenschaften von Elastomermischungen durch den Einsatz von Harz plausibel erklärt.