Selbstheilende Elastomere

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Für Reifen, Dichtungen, Aktuatoren oder auch z.B. für Stoßdämpfer gibt es jedes Jahr einen sehr großen Bedarf an Elastomeren. Sie gehören mit einem Verbrauch von knapp 30 Millionen Tonnen im Jahr 2019 zu den am meisten verbrauchten Materialien im täglichen Leben.

Die derzeit kommerziell erhältlichen Elastomere, besonders die mit hoher Zähigkeit, sind irreversibel über kovalente Bindungen vernetzt und sind weder selbstheilend noch können sie thermisch so behandelt werden, dass sie ihre ursprüngliche mechanische Festigkeit wiedererlangen. Aus diesem Grund werden ausgediente Elastomere in der Regel jedes Jahr verschrottet oder verbrannt, was zu einer starken Umweltverschmutzung und Ressourcenverschwendung führt.

Elastomere der nächsten Generation sollen selbstheilend, recycelbar und mechanisch widerstandsfähig sein. Neben genannten Eigenschaften sollen sie auch noch schadenstolerant sein, sollen eine hohe Festigkeit, Elastizität und Zähigkeit aufweisen. Problem daran ist nur, dass sich diese Eigenschaften zum Teil gegenseitig ausschließen und damit eine Herstellung bislang wirklich eine Herausforderung war.

Chinesischen Wissenschaftlern an der Jilin Universität in Changchun ist es nun gelungen, Polyurethan (PU) Elastomere herzustellen, die genau diese Eigenschaften aufweisen, indem sie wasserstoffhaltige Multiblockpolymere aus Poly (dimethylsiloxan) (PDMS) und Polycaprolacton (PCL) in Bipyridin mit Zn2+ Ionen bei 600C vernetzten.

Die Polymere verstärken als starre Nanofüllstoffe die Elastomere, erhöhen dabei die Zähigkeit und deren Bruchenergie und können sich unter äußerer Krafteinwirkung verformen. Als Ergebnis entsteht so ein Elastomer mit einer Zugfestigkeit von ~52,4 MPa, einer Zähigkeit von ~363,8 MJ/m3 und einer außergewöhnlichen Bruchenergie von 129,9 kJ/m2.

Bei Erwärmung zeigen diese Elastomere dann selbstheilende Eigenschaften und erhalten ihre ursprünglichen mechanischen Eigenschaften zurück. Daraus kann sich dann in den Endprodukten wie z.B. Reifen eine erhöhte Zuverlässigkeit und eine verlängerte Lebensdauer ergeben. Auch glauben die Wissenschaftler, dass deren Herstellung auch auf andere Polymer Composits übertragbar ist und auch deren Eigenschaften dann in die gezeigte Richtung verändert werden können.

Autor: Dr. Ronald Hinz, Market Intelligence Senior Expert, SVP Deutschland AG
Quelle: “Healable, Recyclable, and Mechanically Tough Polyurethane Elastomers with Exceptional Damage Tolerance” from Dr. X. Wang, S. Zhan, Prof. Z. Lu, J. Li, Prof. J. Sun, State Key Laboratory of Supramolecular Structure and Materials, College of Chemistry, Jilin University, Qianjin Street 2699, Changchun 130012, P. R. China in Adv. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adma.202005759, 11 Nov 2020