Rheometerunabhängige Beschreibung des Wandgleitverhaltens von Kautschukmischungen

Kautschukmischungen neigen in Abhängigkeit der Mischungsbestandteile und der Verarbeitungsparameter verstärkt zu Fließanomalien wie z.B. Wandgleiten. Dadurch sind die rheologische Materialmessungen und die daraus abgeleiteten Materialparameter fehlerbehaftet, da die zugrundeliegenden analytischen und numerischen Berechnungsansätze auf der Annahme der Wandhaftung basieren. Neben der Beeinflussung des Extrusionsprozesses und damit der Extrudatqualität durch Wandgleiteffekte führt die Nichtberücksichtigung des Wandgleitens im Rahmen von Strömungssimulationen und der Auslegung von Werkzeugen zu Fehlern, die oftmals erst im Produktionsbetrieb erkannt werden und zeit- sowie kostenintensive Korrekturen zur Folge haben.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Methodik zur rheometerunabhängigen Beschreibung des Wandgleitverhaltens von Kautschukmischungen. Hierzu werden rheologische Untersuchungen an vier EPDM-Kautschukmischungen mittels Hochdruck-Kapillarrheometer (HKR), Contifeed (Kombination aus Laborextruder (Schneckendurchmesser 20 mm) und HKR) sowie Online-Extrusionsrheometern an Extrudern unterschiedlichen Schneckendurchmessers (32 mm, 60 mm) durchgeführt.

Im Rahmen des Forschungsprojektes werden drei grundlegende Arbeitshypothesen untersucht. Zum einen ist das Wandgleitverhalten von Kautschukmischungen von der Größe (Geometrie des Prüfkanals) des verwendeten Rheometers abhängig. Zum anderen besitzen die Spiegelrelationen nach Gleißle (I, II) unter wandhaftenden Bedingungen sowohl für ungefüllte als auch für gefüllte Kautschuksysteme Gültigkeit. Darüber hinaus wird das Wandgleitverhalten durch die Scherhistorie im Extrusionsprozess beeinflusst.

Mittels des Rubber Process Analyzers (RPA) ist die Ermittlung des Fließverhaltens von Kautschukmischungen unter der Randbedingung der Wandhaftung möglich, da das RPA aufgrund des Prüfkammeraufbaus mit den Eingriffsflanken als wandgleitfrei gilt. Für wandhaftende Materialien sind die Spiegelrelationen nach Gleißle sowie die Cox-Merz-Regel bereits vielfach nachgewiesen worden. Die eingeschränkte Gültigkeit dieser bei gefüllten Elastomeren ist auf Wandgleiteffekte zurückzuführen. Unter Berücksichtigung des linear-viskoelastischen Bereichs sowie der Korrektur nicht-isothermer Effekte können Abweichungen der Messwerte zwischen konventionellen Rheometern und dem RPA auf Wandgleiteffekte zurückgeführt und korrigiert werden können. Es erfolgt die Beschreibung einer Vorgehensweise zur Korrektur von Wandgleiteffekten, welche werkstoff- und geometrieunabhängig gültig ist. Durch den Extrusionsprozess zeichnen sich Gleiteffekte im anderen Maße ab als bei HKR-Messungen, weshalb Korrelationen zwischen den Einflussgrößen und dem Gleitverhalten aufgestellt und in einem Kennfeld zusammengeführt werden.