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Die Reifenwerkstoffe der Zukunft

Gert Heinrich ist Senior Professor am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden, das eng mit der TU Dresden verbunden ist. Er stellt zwei neue Werkstoffe vor, an denen er mit seinem Team gearbeitet hat: Mechano-adaptive Kautschuke und einen preisgünstigeren Vorläufer für die Reifenverstärkung mit Carbonfasern.

Worüber werden Sie auf der Konferenz der Tire Technology Expo 2020 sprechen?
Der Titel meiner Präsentation lautet: „Hinter dem Horizont: mögliche Reifenmaterialien der Zukunft“. Ich werde neue Konzepte für moderne Kautschuke und Verstärkungscarbonfasern vorstellen, die wir am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden entwickelt haben. Natürlich spreche ich dabei auch über mögliche Anwendungsgebiete in den Reifentechnologien der Zukunft.

Es ist allgemein bekannt, dass Forscher an Universitäten auf der ganzen Welt erfolgreich mit der Reifenindustrie zusammenarbeiten und schon eine ganze Reihe Forschungsprojekte auf den Gebieten Werkstoffe, Modellierung, Prüfung, Nachhaltigkeit und Fertigung durchgeführt haben. Wenn es um die Zusammenarbeit bei der Entwicklung fortschrittlicher Werkstoffe geht, kann die Reifenindustrie aber noch zurückhaltend sein. Sie scheint Bedenken zu haben, über aktuelle Kenntnisse und technologische Möglichkeiten hinaus in die Zukunft zu blicken.

Dies ist in gewisser Weise auch verständlich, weil solche Projekte sehr riskant sind, teilweise zu weit hergeholt klingen und sich die Chancen, dass sie jemals in der Industrie verwirklicht werden, nur schwer abschätzen lassen. Andererseits eröffnen diese Projekte Möglichkeiten, talentierte neue Mitarbeiter für zukünftige F&E-Einheiten in der Reifenindustrie oder ähnlichen Bereichen über das Tagesgeschäft hinaus auszubilden und zu schulen.

In meinem Vortrag beschäftige ich mich hauptsächlich mit mechano-adaptiven Kautschuken (MAR) sowie kostengünstigen und nachhaltigen Carbonfasern (CF) auf Ligninbasis. MARs sind Kautschuke mit intrinsischen adaptiven Eigenschaften. Das bedeutet, der Verbundwerkstoff selbst kann anpassbare Eigenschaften aufweisen. Auf der anderen Seite könnten CF-basierte Verstärkungscords, Stränge und Streifen in Reifenanwendungen zum Einsatz kommen, wenn sie mit individuell angepassten Eigenschaften und nachhaltigen Technologien entsprechend vorbereitet werden.

Wie funktionieren mechano-adaptive Kautschuke?
Mechano-adaptive Verbundwerkstoffe werden als Materialien definiert, die mithilfe externer Stimuli wie Wasser, pH, Strom, Licht usw. ihre Verformungseigenschaften oder mechanischen Merkmale während ihres Einsatzes verändern können. Man bezeichnet Werkstoffe dieser Art auch als mechanisch schaltbar, anpassbar in ihrer Rigidität, variabel in ihrer Steifigkeit oder als mechanisch anpassbare Verbundwerkstoffe. Bereits letztes Jahr haben meine Co-Autoren und ich in der Jahresrundschau der Tire Technology International darüber geschrieben.

Auf der Konferenz werde ich insbesondere über ein neues biomimetisches stimuli-responsives und adaptives Elastomermaterial für Reifen sprechen, dessen mechanische Eigenschaften sich durch die Behandlung mit Wasser verändern. Dieses Material ist ein mit Calciumsulfat (CaSO4) gefüllter Gummi-Verbundwerkstoff mit einer Matrix aus epoxidiertem Naturkautschuk (ENR). Durch die Nutzung verschiedener Phasenübergangsprozesse, die sich bei der Hydratation von CaSO4 ergeben, lassen sich mehrere unterschiedliche Kristallstrukturen von CaSO4·xH2O in der vernetzten ENR-Matrix entwickeln. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften der mit Wasser behandelten Verbundwerkstoffe werden dadurch erheblich verbessert.

Im Vergleich zum unbehandelten Muster ergibt sich eine Steigerung des dynamischen Moduls um etwa 100 %. Die thermische Stabilität der Verbundwerkstoffe wird auch durch eine Erhöhung der Temperatur der maximalen Abbaurate um etwa 20 °C verbessert. Diese Verhaltensänderung ergibt sich aus einer In-situ-Entwicklung von hydrierten Kristallstrukturen der CaSO4-Nanopartikel in der ENR-Matrix. Dieses neue Kautschukkonzept bietet einen vielversprechenden und relativ einfachen Weg zur Entwicklung von mechanisch adaptiven Elastomerwerkstoffen der nächsten Generation. Und umweltfreundlich ist es auch!

Die Prinzipien adaptiver Kautschuke dieser Art lassen sich auch auf andere Gummipolymere (nicht für Reifen) übertragen. Mögliche Anwendungsgebiete sind die Robotik oder auch Leichtbauwerkstoff-Technologien, die aktive und intelligente Werkstoffe einsetzen. Bereits heute haben sich zahlreiche intelligente Werkstoffe wie etwa Formgedächtnislegierungen, magnetorheologische Elastomere oder dielektrische Elastomere als potenzielle Materialien für verschiedene futuristische Konzepte herausgebildet.

Erzählen Sie uns mehr über die Verwendung von Lignin für die Reifenverstärkung.
In einer meiner beiden Fallstudien für die Konferenz werde ich über die Nutzung von amorphem Lignin als leistungsstarker Vorläufer für Carbonfasern (CF) berichten. Lignin ist ein Nebenprodukt der Papierherstellung und gilt eigentlich als Abfall. Aber der CF-Vorläufer, den wir daraus herstellen konnten, wies eine verbesserte thermische Stabilität und bessere thermo-mechanische Eigenschaften auf.

Die hohe Steifigkeit, hohe Festigkeit und niedrige Dichte von CF-verstärkten Thermo- und Duroplasten sind allgemein bekannt und machen sie zu einem sehr attraktiven Leichtbauwerkstoff in verschiedenen Branchen. Wir glauben, dass sie auch der Reifenindustrie neue Möglichkeiten eröffnen können, wenn sie unter den entsprechenden Bedingungen so vorbereitet werden, dass sie bestimmte gewünschte Eigenschaften aufweisen.

Die möglichen Vorteile einer solchen Konstruktion wären leichtere Reifen, die dennoch die gleichen oder sogar bessere physikalische Eigenschaften als herkömmliche Reifen hätten. Diese Technologie macht auch die Entwicklung von Reifen möglich, die für verschiedene Bedingungen optimiert sind.

Auf diesem Weg gilt es aber noch einige Hindernisse zu überwinden. CF sind außergewöhnlich in den Aspekten Zugmodul, Festigkeit und Formstabilität, haben aber Schwächen bei einer Weichgummimatrix, wie man sie in Reifenanwendungen findet. Ein Ziel ist es daher, die Gleichförmigkeit der Spannungsübertragung und die Abriebfestigkeit zwischen den steifen Carbonfilamenten zu verbessern.

Die weltweite Nachfrage nach CF steigt jährlich um etwa 10–13 %, aber die hohen Kosten sind noch ein großer Nachteil und behindern ihren Durchbruch in Märkten, in denen die Kosten so entscheidend sind wie etwa in der Automobilbranche. Die Kosten des Vorläufers, der bei 90 % der weltweiten CF-Produktion aus Polyacrylnitril-Copolymeren (PAN) hergestellt wird, machen die Hälfte der CF-Kosten aus.

Erschwerend kommt hinzu, dass PAN eine ziemlich geringe Kohlenstoffausbeute haben (bis zu 50 %), sodass die Produktionskapazität eines Werks für PAN-basierte CF nur halb so groß ist wie die eines PAN-Werks. Aus all diesen Überlegungen folgt, dass ein alternatives Vorläufersystem, das billiger ist und eine höhere Kohlenstoffausbeute hat (also weniger CO2-intensiv ist), die Verwendung von CF in Reifen deutlich praktikabler machen könnte.

Lignin ist ein Nebenprodukt der Anmaischung und ein kostengünstiges Material. Die reichliche Verfügbarkeit – es macht ein Drittel des Trockengewichts der Lignocellulose-Biomasse aus – und sein aromatischer Charakter machen diesen Werkstoff zu einem wahren Segen beim Vorantreiben der Nutzung von Lignin für Mehrwertprodukte wie CF-Vorläufer. In unserer aktuellen Arbeit wurde Lignin einem Verbundwerkstoff aus ionischer Flüssigkeit und PAN auf Textilniveau beigemischt. Die Fasern haben wir durch eine sogenannte Nassspinntechnologie mit Spinndüsen gewonnen. Diese Fasern haben eine bessere thermische Stabilität als solche, die aus reinem PAN hergestellt sind.

Die Präsentation von Prof. Heinrich ist Teil des Themenbereichs Reifentechnologie für die Fahrzeugrevolution an Tag 2 der Konferenz. Sehen Sie sich hier das gesamte Konferenzprogramm an.

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