schwarze Demonstratorschläuche

Demonstratorschläuche hergestellt aus Mischung 3. (Bild: UPM Biochemicals)

Die erneuerbaren funktionalen Füllstoffe (RFF) UPM Biomotion bieten Herstellern von Kautschukmischungen und technischen Gummiwaren die perfekte Lösung, um ihren Kunden dabei zu helfen, ihre Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Die erneuerbaren funktionalen Füllstoffe enthalten mindestens 94 % biogenen Kohlenstoff (zertifiziert durch DIN CERTCO) und haben einen um mehr als 90 % geringeren CO2-Fußabdruck im Vergleich zu Standardindustrierußen. Verglichen mit traditionellen Füllstoffen ist die Dichte um mehr als 25 % geringer. Genau wie weiße, anorganische Füllstoffe und anders als Industrieruße sind sie zu 100 % elektrisch isolierend und frei von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) (Tabelle 1).[1] Aufgrund ihrer polaren Natur lassen sich RFFs gut mit polaren Polymeren wie Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR) kombinieren. Um gute mechanische Eigenschaften zu erzielen, werden den Mischungen typischerweise Füllstoffe wie halbverstärkender Ruß zugesetzt. [2, 3]. RFF eignet sich als Ersatz für Ruß in NBR-Anwendungen und ermöglicht den Herstellern, den Anteil an erneuerbaren Rohstoffen zu erhöhen. Dadurch werden CO2-Fußabdruck und Dichte der Endprodukte reduziert, bei gleichbleibenden oder sogar verbesserten gummitechnischen Eigenschaften. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Anwendung der erneuerbaren funktionalen Füllstoffe in einer schwefelvernetzten NBR-Modellrezeptur für Schläuche im Automobilbereich zu untersuchen.

Tabelle mit drei Spalten
(Bild: UPM Biochemicals)

So wurden die Mischungen hergestellt

Alle drei Mischungen wurden in einem BR Banbury Innenmischer mit einem Füllfaktor von 70 %, einer Rotordrehzahl von 60 U/min und einer Wasserkühlung von 50 °C hergestellt. Zuerst wurde das Polymer hinzugefügt und gemischt, nach einer Minute wurde die Hälfte der Füllstoffe, Öle und Pulver zugegeben. Die zweite Hälfte wurde nach einer weiteren Minute zugeführt und dann vier Minuten lang gemischt. Die Ausstoßtemperatur betrug 120 °C. Die Beschleuniger und der Schwefel wurden für fünf Minuten auf einer Doppelwalze eingemischt und dann abgezogen. Es wurden MDR-Messungen bei 160 °C für 30 Min. durchgeführt. Die Vulkanisation der Prüfplatten erfolgte für 10 Min. bei einer Temperatur von 160 °C. Die physikalische Prüfung wurde nach standardisierten Methoden durchgeführt: Härte (ASTM D1415), Zugfestigkeit (ASTM D412) und Dichte (ASTM D297). Mischung 3 wurde für das Herstellen von Demonstratorschläuchen ausgewählt. Dazu wurde eine Charge von 3,5 kg gemischt und durch eine Ringdüse extrudiert. Die Extrudertemperatur wurde auf 85 °C am Zylinder und 70 °C am Kopf eingestellt, die Laufgeschwindigkeit betrug 35 U/min. Die Schlauchrohlinge hatten einen Außendurchmesser von 20 mm und eine Wandstärke von 3,5 mm. Sie wurden auf Metalldorne aufgezogen und in einem Autoklav für 30 Min. bei 155 - 160 °C vulkanisiert.

Tabelle mit vier Spalten.
(Bild: UPM Biochemicals)

Diese Ergebnisse wurden erzielt

Mischung 1 (Tabelle 2) ist die fossile Referenz, welche auf NBR mit einem hohen Acrylnitrilgehalt von 39 % basiert. Es wird halbverstärkender Industrieruß (N550) in Kombination mit einem hohen Anteil inaktivem schwarzen und weißen Füllstoff, nämlich Thermalruß N990 und Talkum verwendet. In Mischung 2 wurde der Thermalruß iso-gravimetrisch durch UPM Biomotion X10 ersetzt, dessen geringe spezifische Oberfläche (11 m²/g) mit der von N990 vergleichbar ist. Darüber hinaus wurde eine dritte Mischung mit demselben Füllstoff hergestellt, welche eine Mischung aus zwei NBR-Typen mit unterschiedlichem Acrylnitrilgehalt, eine reduzierte Menge Talkum und leicht angepasste Weichmacher sowie ein Verarbeitungshilfsmittel enthält. Diese geringfügigen Anpassungen verbesserten die Verarbeitbarkeit bei der Extrusion der Mischung erheblich.

Tabelle mit drei Spalten
(Bild: UPM Biochemicals)

Das ergab der Vergleich der rheologischen Eigenschaften

Alle drei untersuchten Mischungen weisen ähnliche Eigenschaften bei der Vulkanisation auf. Die Anvulkanisationszeit und Vulkanisationsgeschwindigkeit liegen auf dem gleichen Niveau (Tabelle 3). Die Drehmomentminima der Mischungen 2 und 3, in denen RFF zum Einsatz kommt, sind leicht erhöht, was sich jedoch nicht negativ auf den Extrusionsprozess auswirkte. Das Unternehmen weißt darauf hin, dass auch wenn die Mischung 3 im Vergleich zur Referenzmischung 1 leicht angepasst wurde, die Mischungsrezepturen nur partiell optimiert wurden, da der Zweck der Studie darin bestand, die allgemeinen Möglichkeiten und das Konzept zu veranschaulichen. Eine weitere Feinabstimmung ist durch Anpassen der Mischungrezepturen möglich. Die mechanischen Eigenschaften der untersuchten Mischungen sind vergleichbar (Tabelle 4). Mischungen mit UPM Biomotion X10, welcher den N990 ersetzt, weisen tendenziell etwas höhere Härtewerte auf. Die Härte der fertigen Schlauchdemonstratoren wurde mit 83 IRHD gemessen. Die Gummiverstärkung der Mischungen 2 und 3, welche RFF enthalten, ist im Vergleich zur Referenzmischung etwas niedriger in Bezug auf Modul und Zugfestigkeit, aber immer noch auf einem akzeptablen Niveau. Darüber hinaus hatte der Ersatz von N990 durch UPM Biomotion X10 keinen Einfluss auf die Eigenschaftsänderungen nach Wärmealterung (100 °C / 72 Std.) oder Quellung in unpolaren Medien. Die NBR-Mischungen mit RFF bieten die gleich gute Beständigkeit gegen Chemikalien und hohe Temperaturen wie die fossile Referenz.

Balkendiagramm mit einem schwarzen und zwei grünen Balken.
Bild 1: Vergleich des Treibhauspotenzials der untersuchten Mischungen. (Bild: UPM Biochemicals)

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Wie schneiden die holzbasierten Füllstoffe im ökologischen Vergleich ab?

Tabelle mit vier Spalten.
(Bild: UPM Biochemicals)

Der iso-gravimetrische Austausch von N990 durch RFF in Mischung 2 führt bereits zu einer um 7 % niedrigeren Gummidichte im Vergleich zur Referenz (Mischung 1). Anpassungen zum Verbessern der Verarbeitbarkeit in Mischung 3 führen sogar zu einer noch niedrigeren Gummidichte, was hauptsächlich auf das Reduzieren des schweren Talkums um 25 % zurückzuführen ist. Dies wird sich in Leichtbauanwendungen positiv auswirken. Die Gewichtsreduzierung geht mit einer Verringerung des fossilen Anteils der Mischung um 26 % einher, was dazu beiträgt, die in vielen verschiedenen Branchen gesetzten Ziele in Bezug auf erneuerbare Materialien zu erreichen. Der hohe Anteil an erneuerbaren Materialien spiegelt sich auch im CO2-Fußabdruck der Gummimischungen wider. Das Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP) ist im Vergleich zur fossilen Referenz um 49 % reduziert (Bild 1).
Die vorgestellte Studie zeigt, wie der CO2-Fußabdruck verringert, die Dichten reduziert und der Anteil erneuerbarer Materialien in Gummimischungen erhöht werden kann. Die mechanischen Eigenschaften und die Verarbeitbarkeit der Mischung bleiben im Rahmen der Spezifikationsgrenzen erhalten und ermöglichten das Herstellen von Demonstratorschläuchen. Das Konzept ließe sich auch auf andere Gummi- und Kunststoffprodukte übertragen.

Quelle: UPM Biochemicals

 

Literaturverzeichnis
[1] Diehl et. al, Mit Füllstoffen die CO2-Bilanz verbessern, KGK issue 1, 2022, 10-14.
[2] Werner Hofmann, Heinz Gupta; Handbuch der Kautschuktechnologie, Band 1, Elastomerrohstoffe; 2009.
[3] Fritz Röthemeyer, Franz Sommer, Kautschuk Technologie, Carl Hanser Verlag, München 2013
[4] GaBi 10.5 database
[5] Intergovernmental Panel on Climate Change (2006), 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, Volume 3: Industrial Processes and Product Use, Chapter 3:
     Chemical Industry Emissions
[6] UPM Biochemicals LCA

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