Mikrostrukturelle Bewertung von Reifenwerkstoffen

Mikrostrukturelle Bewertung energiesparender und verschleißresistenter Reifenwerkstoffe

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Verbesserte Rolleigenschaften bei gleichbleibendem Grip - möglich durch Optimierung des "Füllstoffnetzwerkes".

Kautschukbasierte Komposite, wie sie für Reifenlaufflächen eingesetzt werden, sind komplexe Materialien, die neben Kautschuk viele Zuschlagstoffe und Additive enthalten. Während der Kautschukanteil dem Material gummitypische Eigenschaften wie die hohe Elastizität verleiht, ermöglicht es die Zugabe von nanoskaligen Füllstoffen – wie Ruß oder Silica –, andere essentielle Eigenschaften wie Härte oder Abriebfestigkeit zu beeinflussen. Diese Kenngrößen lassen sich über die Füllstoffart und den Füllstoffanteil einstellen. In Reifenkompositen ist der Füllstoffanteil so hoch, dass sich ein durchgehendes »Füllstoffnetzwerk« ausbildet, das die mechanischen Eigenschaften dominiert. Ein detailliertes Verständnis und die gezielte Anpassung des Füllstoffnetzwerks sind deshalb von zentraler Bedeutung für die Entwicklung optimierter Reifenmischungen und daher Forschungsgegenstand am Fraunhofer IMWS.

Die Untersuchungen des Fraunhofer IMWS an verschiedenen Kompositen zeigen, dass das Füllstoffnetzwerk nicht nur die aggregierten Füllstoffpartikel selbst, sondern auch viskoelastische Elemente enthält, die von immobilisierten, glasartigen Kautschuksegmenten an der Füllstoffoberfläche gebildet werden. Obwohl die immobilisierten Segmente nur etwa 1-3 Prozent des gesamten Kautschukvolumens im Komposit ausmachen, ist ihr Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften dramatisch. Zwischen den Füllerpartikeln bilden sich glasige Kautschukbrücken, die sukzessive beispielsweise durch einen Temperaturanstieg erweichen und so den Elastizitätsmodul des gesamten Kompositmaterials halbieren können. Mit der Folge, dass der Rollwiderstand zunimmt und zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch führt. Dieses Zusammenspiel zeigt die hohe Bedeutung der am IMWS erforschten Mikrostruktur des Füllstoffnetzwerks für die anwendungsbezogene Optimierung von Kompositen für Reifenlaufflächen.