Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben die Ermüdungsschwelle von partikelverstärktem Gummi erhöht und einen neuen, mehrskaligen Ansatz entwickelt, der es dem Material ermöglicht, hohen Belastungen standzuhalten und der Rissbildung bei wiederholtem Gebrauch zu widerstehen. Dieser Ansatz könnte nicht nur die Langlebigkeit von Gummiprodukten wie Reifen erhöhen, sondern auch die Menge der Verschmutzung durch Gummipartikel verringern, die während des Gebrauchs abgegeben werden.
Die Forschung ist veröffentlicht in Natur.
Natürlich vorkommender Kautschuklatex ist weich und dehnbar. Für eine Reihe von Anwendungen, darunter Reifen, Schläuche und Dämpfer, werden Kautschuke durch starre Partikel wie Ruß und Silica verstärkt. Seit ihrer Einführung verbessern diese Partikel die Steifigkeit von Kautschuken erheblich, nicht jedoch deren Widerstand gegen Rissbildung, wenn das Material zyklisch gedehnt wird, ein Maß, das als Ermüdungsschwelle bekannt ist.
Tatsächlich hat sich die Ermüdungsschwelle von partikelverstärktem Gummi seit der ersten Messung in den 1950er Jahren nicht wesentlich verbessert. Dies bedeutet, dass trotz der Verbesserungen an Reifen, die die Verschleißfestigkeit erhöhen und den Kraftstoffverbrauch senken, kleine Risse große Mengen an Gummipartikeln in die Umwelt abgeben können, die für den Menschen eine Luftverschmutzung verursachen und sich in Bächen und Flüssen ansammeln.
In früheren Forschungen erhöhte ein Team unter der Leitung von Zhigang Suo, Allen E. und Marilyn M. Puckett-Professor für Mechanik und Materialien an der SEAS, die Ermüdungsschwelle von Kautschuken deutlich, indem es Polymerketten verlängerte und Verflechtungen verdichtete. Aber wie wäre es mit partikelverstärkten Gummis?
Das Team fügte seinem stark verschlungenen Gummi Silica-Partikel hinzu, da es davon ausging, dass die Partikel die Steifigkeit erhöhen würden, aber nicht die Ermüdungsschwelle beeinflussen würden, wie häufig in der Literatur berichtet. Sie lagen falsch.
„Es war eine ziemliche Überraschung“, sagte Jason Steck, ein ehemaliger Doktorand am SEAS und Co-Erstautor der Arbeit. „Wir hatten nicht erwartet, dass die Zugabe von Partikeln die Ermüdungsschwelle erhöhen würde, aber wir stellten fest, dass sie um den Faktor 10 anstieg.“
Steck ist jetzt Forschungsingenieur bei GE Aerospace.
Im Material des Harvard-Teams sind die Polymerketten lang und stark verschlungen, während die Partikel geclustert und kovalent an die Polymerketten gebunden sind.
„Wie sich herausstellte“, sagte Junsoo Kim, ein ehemaliger Doktorand am SEAS und Mit-Erstautor der Arbeit, „dekonzentriert dieses Material die Spannung um einen Riss herum über zwei Längenskalen: die Skala der Polymerketten und die Skala der Partikel.“ . Diese Kombination stoppt das Wachstum eines Risses im Material.“
Kim ist jetzt Assistenzprofessorin für Maschinenbau an der Northwestern University.
Das Team demonstrierte seinen Ansatz, indem es einen Riss in ein Stück seines Materials schnitt und es dann zehntausende Male dehnte. In ihren Experimenten wuchs der Riss nie.
„Unser Ansatz der multiskaligen Spannungsdekonzentration erweitert den Raum der Materialeigenschaften und öffnet Türen zur Reduzierung der Polymerverschmutzung und zum Bau leistungsstarker weicher Maschinen“, sagte Suo, leitender Autor der Studie.
„Traditionelle Ansätze zur Entwicklung neuer Elastomermaterialien haben diese entscheidenden Erkenntnisse über die Verwendung von Multiskalen-Spannungsdekonzentration zur Erzielung leistungsstarker Elastomermaterialien für breite industrielle Anwendungen nicht berücksichtigt“, sagte Yakov Kutsovsky, Expert in Residence am Harvard Office of Technology Development und Mitautor von das Papier.
„Die in dieser Arbeit entwickelten und demonstrierten Designprinzipien könnten in einer Vielzahl von Branchen anwendbar sein, darunter großvolumige Anwendungen wie Reifen und industrielle Gummiwaren sowie neue Anwendungen wie tragbare Geräte.“
Zuvor war Kutsovsky 15 Jahre lang als Chief Scientific Officer und Chief Technology Officer bei der Cabot Corporation tätig.
Das Harvard Office of Technology Development hat das mit diesem Projekt verbundene geistige Eigentum geschützt und prüft derzeit Möglichkeiten zur Kommerzialisierung.
Mehr Informationen:
Jason Steck et al.: Multiskalige Spannungsdekonzentration verstärkt die Ermüdungsbeständigkeit von Gummi. Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06782-2