Mechanische Eigenschaften von Elastomeren

30.11.2016

Eine der bezeichnenden Eigenschaften von Elastomeren ist ihre hohe Elastizität. Und gerade im Vergleich zu Stahl, kommen deren Haupteigenschaften zum Tragen. Nachfolgend möchten wir ihre charakteristischen Eigenschaften näher erläutern. Abbildung 1 zeigt diese deutlich: sie können sowohl Federeigenschaften als auch Dämpfungsvermögen in einem Bauteil kombinieren.

Beispiel Elastomerpuffer.png

Elastizität von Elastomeren

Entsprechend ist die markanteste Eigenschaft von Elastomeren die hohe Elastizität. Damit ist in erster Linie ihre Fähigkeit gemeint, unter Belastung ihre Form zu verändern und nach der Entlastung unmittelbar in den Ausgangszustand zurückzukehren. Darüber hinaus weisen Elastomere eine sehr hohe Dehnbarkeit auf. 

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Abbildung 1

Diese ist in etwa 400 Mal höher als bei Stahl. Im Vergleich zu Elastomeren besteht Stahl aus Metallatomen, die in einem Raumgitter angeordnet sind. Elastomere hingegen bestehen aus langen Fadenmolekülen. Diese Molekülketten sind im Ruhezustand nicht geradlinig ausgerichtet, sondern nehmen einen knäuelförmigen Zustand ein. Beim Einwirken einer äußeren Kraft entwirrt sich das Knäuel zu einer mehr oder weniger gestreckten Form.

Die Entfernung der Molekülenden kann dabei um mehrere hundert Prozent zunehmen. Hieraus erklärt sich die hohe Dehnbarkeit der Elastomere. Beim Entlasten kehrt das Molekül von selbst sofort in seinen Knäuelzustand zurück. Die Erklärung für dieses Phänomen kommt aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

ds = (dq + dwr) T

Danach geht ein geordnetes System von selbst in einen ungeordneten Zustand über. In diesem Fall behält das gestreckte Molekül nicht den hohen Ordnungsgrad einer nahezu geradlinigen Anordnung bei, sondern sucht den ungeordneten Zustand des Knäuels.

Da die Entropie im übertragenen Sinne ein Maß für die Unordnung ist spricht man bei Gummielastizität von Entropieelastizität. Wenn die Moleküle über den gestreckten Zustand hinaus gedehnt werden, bezeichnet man diese zusätzliche Dehnung auch als Energieelastizität. Die jeweiligen Elastizitätsbereiche sind in Abbildung 2 verdeutlicht. Als Übergang der Entropieelastizität in Energieelastizität wird der Wendepunkt im Spannungs-/ Dehnungsdiagramm angenommen.

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Abbildung 2

Weitere Informationen zum Thema "Elastomere Werkstoffe".

Visko-elastisches Verhalten

Bei einem Elastomer handelt es sich, wie in Abbildung 1 dargestellt, um einen sogenannten Kelvin Körper. Das bedeutet, dass die Gummielastizität als Modell einer idealen Feder mit parallel geschaltetem Dämpfungsglied betrachtet werden kann. Speziell bei dynamisch beanspruchten Erzeugnissen muss die Dämpfung berücksichtigt werden. Hohe innere Reibung führt bei periodischer Verformung zu Erwärmung und kann schließlich die Zerstörung des Bauteils zur Folge haben [GK75].

Bei einer Deformation tritt neben einer elastischen Verformung auch ein plastisches Fließen ein. Letzteres beruht darauf, dass entweder die Molekülknäuele unter der Einwirkung von außen ihre innere Anordnung ändern, oder sich die Schwefelbrücken lösen und an spannungsärmeren Stellen wieder verknüpfen. Schließlich kann auch ein Abgleiten der Kautschukketten von der Oberfläche der aktiven Füllstoffe eintreten. Das Fließen bewirkt, dass ein Elastomerbauteil nach dem Entlasten nicht mehr ganz in die Ausgangslage zurückkehrt, vielmehr verbleibt ein Formänderungsrest. Dieser hängt einerseits vom Aufbau der Mischung, andererseits vom Verformungsgrad, von der Verformungsdauer und der Temperatur, ab.

Ein solches Verhalten erinnert an eine zähe Flüssigkeit. Man bezeichnet Elastomere daher als visko-elastisch. Ein Kennwert der Auskunft über die innere Dämpfung geben kann ist die Stoßelastizität.

Thermisches Verhalten von Elastomeren

Die Einsatztemperatur hat einen wesentlichen Einfluss auf die Elastizität eines elastomeren Kunststoffes. Mit steigender Temperatur nimmt die Elastizität zu. Ursache für die Elastizitätssteigerung ist der Anstieg der zur Verfügung stehenden Energie als Verformbarkeit der Moleküle. Sinkt die Temperatur ab, erreicht sie irgendwann ein so niedriges Niveau, dass die Energie nicht mehr für die notwendige Beweglichkeit ausreicht.

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Abbildung 3

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Glossar

Entropie: physikalischer Begriff aus der Thermodynamik, kennzeichnend für den Verlauf eines Wärmeprozesses.

Entropieelastizität: auch Gummielastizität, beschreibt den Drang von Molekülen, nach einer mechanischen Belastung wieder in den ursprünglichen Zustand (den sogenannten Knäuelzustand) zurückzukehren.

Energieelastizität: beschreibt die plastische Deformation / plastische Dehnung von Materialien. Bei Elastomeren tritt Energieelastizität dann auf, wenn aufgrund von äußeren Belastungen der Bereich der Entropieelastizität überschritten wird.

Viskoelastizität: beschreibt ein Materialverhalten, das sowohl elastisch (kehrt nach Belastung in den ursprünglichen Zustand zurück) als auch viskos (die Dehnung bleibt auch nach Entlastung komplett erhalten) ist. Dieses Verhalten ist abhängig von Zeit, Temperatur und Frequenz der Belastung.

Quellen

S. Graf; Untersuchungen an seriell angeordneten Elastomerelementen in Wellenkupplungen mittels der Finite Elemente Methode, Master Thesis, Beuth Hochschule für Technik, Berlin 2015

[GK75] W. Gohl and G. Kolb. Elastomere - Dicht- und Konstruktionswerkstoffe. Lexika Verlag, Würzburg, 2 edition, 1975.

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