Verschleißverhalten von gefüllten Polymeren

Abstract

Zur Verbesserung des Verschleißverhaltens von Nanokompositen auf Basis von Polyurethan (PU) wurde der Einfluss von ZrO2- und FeOx-Partikeln in Abhängigkeit von Partikelgröße und Partikelgehalt untersucht. Es zeigte sich bei beiden Partikelarten, dass ein zunehmender Partikelgehalt zu einer Erhöhung des Elastizitätsmoduls führte, wodurch die Materialbelastung stieg und der Verschleißkoeffizient zunahm. Mit zunehmender Partikelgröße nahm die Wechselwirkung der Oberflächenmodifikatoren mit der PU-Matrix ab. Dies führte bei den ZrO2- wie auch bei den FeOx-Kompositen mit den jeweils größten Partikeln dazu, dass eine Schubbelastung im wesentlichen durch die PU-Matrix aufgenommen wurde, wodurch es durch die gegenüber den Kompositen höhere Zähigkeit des PU wieder zu einer Abnahme des Verschleißkoeffizienten kam. In einer Finite-Elemente-Simulation konnte gezeigt werden, dass sich die elastische Dehnungsenergiedichte der Komposite umgekehrt zum Verschleißkoeffizienten verhielt. Dies zeigte, dass eine Verschleißzunahme bei zunehmendem Füllgrad durch eine Abnahme des elastischen Materialverhaltens der Komposite begründet war. Weiterhin wurden für ZrO2- und FeOx-Komposite die Oberflächenmodifikatoren variiert. Dabei konnten bei den ZrO2-Kompositen der Dispergierzustand, die Zahl der Anbindungen an die PU-Matrix und das Modifikationsverfahren als wichtige Einflussgrößen auf ein gutes Verschleißverhalten identifiziert werden. Bei den FeOx-Kompositen waren hierfür der Dispergierzustand, kurze Seitenketten und die Elektronegativität des an das Partikel anbindenden Atoms von Bedeutung.

With the aim to improve the wear behaviour of nanoparticular reinforced polyurethanes the influence of particle size and particle content of ZrO2 and iron oxides were investigated. For both kinds of particles it was found that an increasing particle content led to an increase of the Youngs module as a result of which the material load increased and the wear coefficient increased. By an increasing particle size the interaction of the surface modificator decreased. This has caused for composites reinforced by ZrO2 as well as for the composites reinforced by iron oxides that the shear loads of the wear tests were to bear mainly by the polyurethan matrix material, and the wear coefficient decreased. In a finite element analysis it was shown that the composites have an increasing elastic strain energy density with decreasing wear coefficient. This shows the role of the elastic material behaviour on the increasing wear with increasing filler content. For the ZrO2 and iron oxid composites a variation of the surface modificator was performed. For ZrO2 composites it was found that the good state of dispersion, the number of bonds of the modificator molecules to the polyurethane matrix and the method of incorporating the modificator into the matrix are important influence factors on good wear behaviour. For the iron oxide composites a good state of dispersion, short side chains and the electronegativity of the bonding atom were found as important factors on good wear behaviour.