Die Situation
Kautschukbauteile mit integrierten textilen Verstärkungsstrukturen finden vielfältigen Einsatz im Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbau. Um eine hohe Leistungsfähigkeit und Lebensdauer zu ermöglichen, werden als textile Verstärkung zunehmend Hochleistungsfaserwerkstoffe eingesetzt. Dabei wird verstärkt der Einsatz von Aramidfaserstoffen angestrebt. Häufig treten jedoch Bauteilausfälle aufgrund einer ungenügenden Haftung zwischen Aramidfaser und Elastomermatrix auf.
Das Projekt
In diesem Projekt, an dem neben dem ITM - Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (TU Dresden), auch das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden, das Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke (TU Dresden) und 15 kleine oder mittlere Unternehmen beteiligt waren, wurden zur Aktivierung der Faseroberfläche verschiedene Verfahren im Labormaßstab am Faden erprobt.
Zwei Methoden zeigten dabei verbesserte Haftungsergebnisse: die Behandlung der AR-Garne mit Atmosphärendruckplasma und die nasschemische Behandlung mit mehrstufigen Dippsystemen. In weiteren Untersuchungen wurde geprüft, wie temperaturbeständig die entwickelten Beschichtungen sind. Generell verringert eine Temperaturbelastung bis 150°C den Haftverbund zwischen dem beschichtetem AR-Garn und der Elastomermatrix deutlich. Wird die Temperatur jedoch bis auf 200°C gesteigert, ist kein weiterer Abfall des Haftverbundes messbar.
Mit den im Projekt entwickelten neuartigen Methoden ist die Verringerung der Haftung mit steigender Temperatur im Vergleich zum Stand der Technik geringer ausgeprägt. Nachfolgend wurden textile Verstärkungsstrukturen auf Basis von Gestricken und Geweben anforderungsgerecht ausgelegt und textiltechnisch umgesetzt. Diese Strukturen wurden anschließend beschichtet, in eine Kautschukmatrix eingepresst und vulkanisiert. Bei der Untersuchung der Faser-Matrix-Haftung der Sandwichverbundkörper konnten die Versuchsergebnisse am Faden bestätigt werden.
Parallel zu den praktischen Versuchen an den Textil-Elastomerverbunden erfolgt die Entwicklung eines Materialmodells, das die theoretische Auslegung dieser Verbunde mittels numerischer Simulation ermöglicht. Dabei werden neben Elementen für die Matrix und die textilen Verstärkungsstrukturen auch solche für die Grenzschicht in das Modell einbezogen.
Abschließende Versuche an im Rahmen der Projektarbeit erprobten praxisnahen Demonstratoren zeigen, dass die positiven Ergebnisse aus den Versuchen hinsichtlich der erzielbaren maximalen Haftung bestätigt werden können. Somit wurde das Forschungsziel, die Haftung zwischen Aramidfasern und elastomeren Matrixsystemen zu verbessern, erreicht.
Der Nutzen für den Mittelstand
Potenzielle Nutzer der Ergebnisse dieses Projekts sind vor allem die überwiegend kleinen und mittleren Hersteller von textilen Erzeugnissen und elastomeren Faserverbundbauteilen, die sich durch die Erweiterung der Produktpalette ihren Anteil am wachsenden Verbundwerkstoffmarkt sichern. Potentielle Nutzer der Ergebnisse sind insbesondere in den Bereichen Textilherstellung und Kautschukverarbeitung zu sehen. Die Kautschukindustrie in Deutschland ist mit 75.000 Beschäftigten ein enormer Wirtschaftsfaktor und hat im Jahr 2012 ca. 55.000 t Kautschukerzeugnisse in einem Gesamtwert von 6,2 Mrd. € umgesetzt: Im Bereich Textil waren im Jahr 2012 in Deutschland 64.500 Menschen beschäftigt. Die Firmen im Bereich Textil, der im hohen Maße durch KMU geprägt ist, erzeugten dabei einen Jahresumsatz von 11,3 Mrd. € bei einer Exportquote von 44 %
Ansprechpartner
Annett Dörfel
annett.doerfel@tu-dresden.de
+49 351 463 39321
Fördergeber
Finanzielle Förderung über das Forschungskuratorium Textil als Mitglied der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungseinrichtungen (AiF) aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Programms zur Förderung der "Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)" 382 ZBR.