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Ist das Klettverschlusskonzept für eine alternative Silica/Polymer-Kopplung möglich?

Dr. Anke Blume, Professorin für „Elastomer Technology and Engineering“ an der Universität Twente, informiert über die bisherigen Fortschritte des neuen Silica/Polymer-Kopplungskonzepts, das sie auf der letztjährigen Konferenz vorgestellt hatte. Das vom Klettverschluss inspirierte Kopplungskonzept hat das Potenzial für eine höhere Verstärkungswirkung und eine bessere Abriebfestigkeit und lässt sich außerdem einfacher recyceln. In diesem Jahr wird sie die Ergebnisse der ersten Tests im Gummi präsentieren.

Worüber werden Sie auf der Konferenz sprechen?
Ich werde die Zuhörer über den neuesten Stand bei der Entwicklung eines neuartigen Silica/Polymer-Kopplungskonzepts informieren, an dem wir an der Universität Twente arbeiten. Die traditionelle Silica/Silan/Polymer-Kopplung hat eine Schwäche: Wenn die chemische Verbindung durch externe Verformung bricht, kann sie nicht wiederhergestellt werden. Wir dachten gerade über einen alternativen, wiederherstellbaren Kopplungsmechanismus nach, als wir in der Natur über unser aktuelles Konzept stolperten: Wie wäre es mit einem übermolekularen Haken-Schlaufen-Verschluss, vergleichbar mit dem, den wir alle als Klettverschluss kennen? Der Grundgedanke hinter einer klettverschlussartigen Kopplung ist die Verbindung zwischen zwei unterschiedlichen Werkstoffen über einen Haken-Schlaufen-Verschluss, eine Art molekulares mechanisches Verriegelungssystem mithilfe eines Hakens, der dem Silica hinzugefügt wird.

Was wären die praktischen Vorteile für die Reifenleistung?
Wenn es uns gelingt, dieses neue System vollständig zu entwickeln, können wir die Vorteile der Wechselwirkung zwischen Ruß und dem Polymer mit den Vorteilen des Silica/Silan-Systems verbinden. Mit anderen Worten: Wir wollen ein System entwickeln, das sowohl von einer höheren Verstärkungswirkung als auch von besserer Abriebfestigkeit profitiert. Das Silica/Silan-System bietet im Vergleich zum Rußsystem bessere Nasstraktion und besseren Rollwiderstand, leidet jedoch an geringerer Abriebfestigkeit. Mit dem neuen Kopplungssystem könnte sich dieser Nachteil überwinden lassen. Außerdem können wir davon ausgehen, dass es sich viel besser recyceln lässt als das Silica/Silan-System.

Sie haben dieses Konzept im letzten Jahr erstmalig vorgestellt. Welche Fortschritte haben Sie seither erreicht?
Im letzten Jahr habe ich den ersten vollständigen Prozess für die Modifizierung von Silica vorgestellt. Durch Veredelung, Verzweigung und Hydrierung ist es uns gelungen, an der Silicaoberfläche Oligomerbürsten zu integrieren. Letztes Jahr habe ich am Ende meiner Präsentation versprochen, dieses Jahr wiederzukommen und die Eigenschaften dieses Materials im Gummi vorzustellen.

Seit der Konferenz der Tire Technology Expo 2019 haben wir einen weiteren Abschirmungsschritt für die verbleibenden Silanolgruppen an der Silicaoberfläche hinzugefügt und so den Modifizierungsprozess verbessert. Bei der Berechnung der Löslichkeitsparameter dieser Oligomerketten haben wir festgestellt, dass sie denen der SBR sehr ähnlich sind, die üblicherweise für Laufflächenmischungen von Reifenrohlingen verwendet werden. Das bedeutet, dass das modifizierte Silica mit der Polymerphase besonders gut kompatibel ist.

Danach kam der wohl wichtigste Schritt: Es gelang uns, eine ausreichende Menge modifiziertes Silica für Tests im Gummi herzustellen. Wir haben das modifizierte Silica in einer typischen Laufflächenmischung für Reifenrohlinge getestet und die Ergebnisse mit einer typischen Silica/Silan-Formulierung und mit einer Mischung verglichen, die mit Silica gefüllt war, aber kein Silan enthielt. Erfreulicherweise haben wir festgestellt, dass die Gummimischungen mit modifiziertem Silica im Vergleich zu der Referenzmischung mit Silica eine verbesserte mechanische Leistung aufwiesen. Außerdem haben wir den Payne-Effekt gemessen, der eindeutig gezeigt hat, dass unser Prinzip einer alternativen Kopplung funktioniert – der Machbarkeitsnachweis war somit erbracht. Das Gummi mit dem neuen modifizierten Silica hat noch nicht die Leistung des Silica/Silan-Referenzmaterials erreicht, aber das haben wir bei unserem ersten Versuch auch nicht erwartet.

Wie geht es bei dieser Forschung weiter?
Wir haben verschiedene Ideen für eine weitere Verbesserung des Systems. Es besteht die Gefahr, dass die Thiole, die wir für die Modifizierung verwendet haben, bei der Vulkanisierung brechen. Dadurch verringert sich die Gesamtmenge des erfolgreich modifizierten Silicas nach der Vulkanisierung. Wir entwickeln deshalb jetzt einen alternativen Prozess, mit dem wir die Verwendung monosulfidischer Brücken in den Oligomerbürsten vermeiden. Wir sind sehr gespannt, wie diese neuen Arten modifizierten Silicas die Leistung im Gummi verändern werden.

Die Präsentation von Dr. Blume ist Teil des an Tag 2 der Konferenz fortgesetzten Themenbereichs Die Rolle der Polymer-, Füll- und Mischungsadditive. Sehen Sie sich hier das gesamte Konferenzprogramm an.

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