Team entwickelt neue Methode zur Bestimmung von Fehlern in Gummi

Eine neue Methode zur Sicherstellung von Konsistenz und Qualität bei der Gummiherstellung, die von einem Forschungsteam der University of Tennessee, Knoxville und Eastman entwickelt wurde, wird wahrscheinlich reale Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit und Haltbarkeit von Materialien für Produkte wie Autoreifen zeigen.

Da Verbraucher in den USA und auf der ganzen Welt zunehmend Anreize für Elektrofahrzeuge und weg von der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen erhalten, haben aktuelle EV-Benutzer ein unerwartetes Wartungsproblem aufgedeckt. Aufgrund der Kombination aus höherem Gewicht und höherem Drehmoment üben Elektrofahrzeuge mehr Druck auf Standardreifen aus, wodurch sie 30 % schneller abgebaut werden als Reifen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

Fred N. Peebles-Professor und IAMM-Lehrstuhl für Exzellenz Dayakar Penumadu von der UT, zusammen mit dem Doktoranden der Elektrotechnik Jun-Cheng Chin, dem Postdoktoranden Stephen Young und drei Eastman-Wissenschaftlern, veröffentlichten kürzlich Forschungsergebnisse, die darauf abzielen, eine der häufigsten Herausforderungen der Gummiherstellung zu lösen: die Identifizierung von Fehlern im Stoff.

Gummi enthält Zusätze wie Zinkoxid und Schwefel, die die Festigkeit, Elastizität und andere günstige Eigenschaften verbessern. Wenn die Inhaltsstoffe nicht gleichmäßig in einem Gummiprodukt wie einem Autoreifen verteilt sind, enthält das Material Fehler, die dazu führen, dass das Produkt vorzeitig abgebaut wird.

„Wenn sich Komponenten wie Schwefel nicht gut verteilen, entstehen lokalisierte harte Stellen“, sagte Penumadu. „Dieses harte Zeug zieht viele mechanische und thermische Belastungen an, wodurch das Material vorzeitig abgebaut wird.“

Selbst ein Fehler von der Breite eines menschlichen Haares kann die Lebensdauer eines großen Gummibauteils wie eines Autoreifens verkürzen.

„Das führt zu Sicherheits- und wirtschaftlichen Auswirkungen“, sagte Penumadu.

Das Identifizieren und Untersuchen solcher Fehler – ein Bereich, der als Bruchmechanik bekannt ist – ist entscheidend, um zu verstehen, wie sich das Material verhält. Solche Fehler zu finden, bevor sie Probleme verursachen, ist jedoch ein Problem, das die Gummiindustrie seit langem plagt.

„Der aktuelle Ansatz der Industrie besteht darin, eine kleine Gummiprobe auszuschneiden und sie dann unter einem optischen Mikroskop zu beobachten“, sagte Penumadu. „Das ist nicht nur mühsam und destruktiv, es ist auch unzuverlässig. Es erfordert, dass Sie vorher raten, wo Sie in einer undurchsichtigen Probe nach Inkonsistenzen suchen müssen.“

Außerdem können optische Mikroskope nicht zwischen Gummibestandteilen unterscheiden – zum Beispiel erscheinen Schwefel und Zinkoxid beide als weiße Flecken.

Das Team von Penumadu hat dieses Problem gelöst, indem es von der optischen Analyse auf die Röntgen-Computertomographie umgestellt hat. Röntgenstrahlen, die die Probe durchdringen, werden je nach Material, auf das sie treffen, unterschiedlich gestreut und absorbiert. Ein Computer rekonstruiert dann ein digitales 3D-Modell des Inneren des Gummis.

„Das ist ein sehr wichtiger Punkt“, sagte Penumadu. „Mit XCT können wir das Innere des Materials nichtinvasiv sehen, und wir können tatsächlich die Verteilung jeder Komponente sehen.“

Die Anwendung dieser neuen Methode verbessert die Fähigkeit der Gummiindustrie, Fehler zu erkennen und vorherzusagen, und wird letztendlich zu einer gleichbleibenderen Qualität und langlebigeren Gummiprodukten führen.

Im Oktober erhielt das Team den 2021 Publication Excellence Award der Zeitschrift für Kautschukchemie und -technologie für ihren Spatenstich Papier„Sulfur Dispersion Quantitative Analysis in Elastomeric Tire Formulations by Using High Resolution X-Ray Computed Tomography“, in dem die neue XCT-Methode und ihre Forschungsergebnisse erörtert werden.