Selbstreparierende Elastomere
Elastomere (elastische Polymere) finden in zahlreichen Bereichen Verwendung, dies schließt Dichtungen und Reifen ein. Auch wenn das Material Verformungen abweist, ist das Endergebnis im Laufe der Zeit eine Beschädigung und das letztliche Versagen des Materials. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts MUSHE (Multifunctional self healing elastomers) wurden selbstreparierende Elastomere entwickelt, die auf Naturkautschuk basieren. Der innovative Ansatz des Teams gründete auf reversiblen Stoffverbindungen in Kombination mit der Integrierung leitfähiger Nanopartikel. Das Konzept des Projekts war darauf ausgerichtet, die mechanische und elektrische Funktion des ermüdeten Elastomers wiederherzustellen. Das Team untersuchte die Bedeutung von Elastomer-Reparatur-Variablen, einschließlich von Zeit und Temperatur. Unter Anwendung dielektrischer Prozesse arbeitete die Gruppe an der Gewinnung neuer Erkenntnisse zur Struktur des Elastomernetzwerks und zu dem Vernetzungssystem. Diese Ergebnisse werden die Entwicklung von Selbstreparatureigenschaften bei zukünftigen Elastomeren verbessern. Das Team entwickelte zunächst maßgeschneiderte, selbstreparierende, schwefelvulkanisierte Naturkautschukkomposite. Die Komposite nutzen die einzigartigen Eigenschaften di- und polysulfider Stoffverbindungen, die in natürlichem Kautschuk von Natur aus vorhanden sind. Die Selbstreparatureigenschaften verschiedener Naturkautschukstoffe, die jeweils auf unterschiedlichen Vulkanisierungssystemen basierten, wurden hergestellt und getestet. Die Forscher bestimmten zudem die mechanischen Eigenschaften makelloser und reparierter Kautschukstoffe im Verhältnis zum Schwefelanteil und zum Vernetzungsgrad. Das Konsortium entwickelte zudem selbstreparierende Elastomere, die leitfähige Partikel wie Graphen nutzen. Das Team charakterisierte die Komposite physikalisch und chemisch und errechnete basierend auf Quellungsmessungen die jeweiligen Vernetzungsdichten. Prüfer ermittelten detailliert die Auswirkungen einer Graphenbelastung auf die mechanische Selbstreparatur und beurteilten die Multifunktionalität ausgewählter Komposite. Infolgedessen wurde im Zuge von MUSHE ein neuer schwefelbehandelter Naturkautschuk mit Selbstreparaturfähigkeit entwickelt. Das neue Material schafft ein Gleichgewicht zwischen mechanischer Leistung und Reparaturfähigkeit, das sich bedarfsgerecht anpassen lässt. Die Mechanismen zur Leistungsanpassung beinhalten eine Variation des Schwefelanteils im Komposit, der Vernetzungsdichte sowie der Zeit des Erstkontakts zwischen beschädigten Flächen. Nach der Entwicklung des neuen Komposits untersuchten die Forscher zudem dessen Relaxationsverhalten. Das Team entwickelte überdies Naturkautschuk-Graphen-Komposite. Obgleich die Stoffe nicht die erwarteten Verbesserungen bezüglich der mechanischen Eigenschaften zeigten, konnte das Team eine Wiederherstellung der mechanischen Leistung sowie Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit demonstrieren. Die MUSHE-Ergebnisse stellen einen Schritt für die allumfassende Nutzung solcher Komposite und für die Entstehung neuer Industrien in Europa dar.
