Das Team der University of Tennessee entwickelt eine neue Methode zur Anzeige und Vorhersage von Gummifehlern

Knoxville, TN – 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 Materialnachhaltigkeit und Haltbarkeit von Produkten wie Autos zeigen Reifen.

Da sich Verbraucher in den USA und auf der ganzen Welt zunehmend für Elektrofahrzeuge entscheiden und sich von der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen abwenden, haben aktuelle Elektrofahrzeugnutzer ein unerwartetes Wartungsproblem entdeckt. Aufgrund der Kombination aus höherem Gewicht und höherem Drehmoment üben Elektrofahrzeuge einen größeren Druck auf Standardreifen aus, was dazu führt, dass diese 30 % schneller abbauen als Reifen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

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

Gummi enthält Zusatzstoffe wie Zinkoxid und Schwefel, die die Festigkeit, Elastizität und andere positive Eigenschaften verbessern. Wenn die Inhaltsstoffe in einem Gummiprodukt wie einem Autoreifen nicht gleichmäßig verteilt sind, weist das Material Fehler auf, die zu einer vorzeitigen Verschlechterung des Produkts führen.

„Wenn sich Bestandteile wie Schwefel nicht gut verteilen, entstehen lokale Verhärtungen“, sagte Penumadu. „Dieses harte Material 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 hat Auswirkungen auf die Sicherheit und die Wirtschaft“, sagte Penumadu.

Die Identifizierung und Untersuchung solcher Fehler – ein Bereich, der als Bruchmechanik bekannt ist – ist entscheidend für das Verständnis der Leistung des Materials. Doch solche Fehler zu finden, bevor sie Probleme verursachen, ist ein Problem, das die Gummiindustrie seit langem beschäftigt.

„Der derzeitige Ansatz der Industrie besteht darin, eine kleine Gummiprobe herauszuschneiden und sie dann unter einem optischen Mikroskop zu betrachten“, sagte Penumadu. „Das ist nicht nur mühsam und destruktiv, es ist auch unzuverlässig. Man muss vorher erraten, wo in einer undurchsichtigen Probe nach Inkonsistenzen gesucht werden muss.“

Darüber hinaus können optische Mikroskope nicht zwischen Gummibestandteilen unterscheiden – Schwefel und Zinkoxid erscheinen beispielsweise beide als weiße Flecken.

Penumadus Team hat dieses Problem gelöst, indem es von der optischen Analyse auf die Röntgen-Computertomographie umgestiegen ist. Röntgenstrahlen, die die Probe durchdringen, werden je nach Material, auf das sie treffen, unterschiedlich gestreut und absorbiert. Anschließend rekonstruiert ein Computer ein digitales 3D-Modell des Gummiinneren.

„Das ist ein sehr wichtiger Punkt“, sagte Penumadu. „Mit XCT können wir das Innere des Materials nichtinvasiv betrachten und 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 länger haltbaren Gummiprodukten führen.

Im Oktober erhielt das Team vom Journal of Rubber Chemistry and Technology den Publication Excellence Award 2021 für seine bahnbrechende Arbeit „Sulfur Dispersion Quantitative Analysis in Elastomeric Tire Formulations by Using High Resolution X-Ray Computed Tomography“, in der die neue XCT-Methode und die neue XCT-Methode erörtert werden ihre Forschungsergebnisse.

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