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Entwicklung von Biodiesel-resistenter Nitrilkautschukformulierungen

Fossile Brennstoffe sind die am meisten genutzten Energiequellen der Welt. Jedoch wurde die Gesellschaft durch zahlreiche Gründe dazu bewegt, nach alternativen Treibstoffen zu suchen, um die weltweite Nachfrage zu befriedigen, ohne dabei die Umweltbelastung zu erhöhen. Biodiesel hat sich als hervorragender Ersatz für Dieselkraftstoffe erwiesen, aufgrund der vergleichbaren physikalischen Eigenschaften und durch verbesserte ökologische Vorteile, wie schadstofffreiere Gasemission, Ungiftigkeit, Erneuerbarkeit und biologische Abbaubarkeit. Dennoch unterscheiden sich Biodiesel und Diesel aus fossilen Brennstoffen stark in ihren chemischen Eigenschaften. Darum muss die Kompatibilität der Materialien, die in Kontakt mit Treibstoffen kommen, sowohl für Diesel, als auch für Biodiesel (basierend auf verschiedenen Rohstoffe) gewährleistet werden. Der häufigste Vorschlag aus der Literatur empfiehlt, Nitrilkautschuk (NBR)-basierte Artikel aus der Biodiesel-Anwendung zu entfernen. Allerdings wurden bisher keine Versuche unternommen, die Wechselwirkungen zwischen Nitrilkautschuk und Biodiesel besser zu verstehen und keine Veränderungen oder Verbesserungen für den Herstellungsprozess der Nitrilkautschukprodukte vorgeschlagen. Diese wissenschaftliche Arbeit widmet sich der Untersuchung der Widerstandsfähigkeit verschiedener NBR-Typen und unterschiedlicher NBR Formulierungen gegenüber Biodiesel. Zuerst wurden Nitrilkautschuke mit unterschiedlichem Acrylnitril-Gehalt (33 und 45%) und carboxylierter Nitril-Butadien-Kautschuk (XNBR) mit 28% Acrylnitrilgehalt in Sojabohnen-basiertem Biodiesel untersucht. Die Vorversuche zeigten, dass zunehmender Acrylnitrilgehalt die Widerstandsfähigkeit des Kautschukes gegenüber Biodiesel verbessert. Zudem zeigte die carboxylierte Nitrilkautschukformulierung, trotz des geringen Acrylnitrilgehaltes (28%), nahezu identische Ergebnisse wie NBR-Mischungen mit hohem Acrylnitrilgehalt. Als Ursache für dieses Verhaltens wird vermutet, dass XNBR verschiedene Arten von Vernetzungen während der Vulkanisation ausbilden konnte. Des Weiteren wurden neue Formulierungen von Nitrilkautschuk mit einem hohen Acetonitrilgehalt über eine zweifaktorielle Versuchsplanung hergestellt. In dieser Planung wurden die Mengen von zwei verschiedenen Beschleunigern (Tetramethylthiuramdisulfid – TMTD und N Cyclohexylbenzothiazol-2-sulfenamid – CBS) und die Menge an Schwefel variiert, um verschiedene Arten von Vulkanisationssystemen (konventionell, semi-effizient und effizient) zu erhalten.

Statistisch betrachtet, wurde die Zugstärke der hergestellten Zusammensetzungen von TMTD, Schwefel und der Kombination von TMTD und Schwefel beeinflusst. Die Härte wurde von der Menge an TMTD, Schwefel und der Kombination von CBS und Schwefel gesteuert, während die Bruchdehnung von TMTD, Schwefel und der Kombination der beiden Beschleuniger bestimmt wurde. Die Vernetzungsdichte wurde hingegen nur von der Menge an TMTD und Schwefel beeinflusst. Desweiteren spielte die Wahl des Beschleunigers eine wichtige Rolle für die Beständigkeit des Nitrilkautschuks gegenüber Biodiesel. Es hat sich gezeigt, dass TMTD im Bezug auf die mechanische Beständigkeit gegenüber Biodiesel effektiver ist als CBS. Die Vernetzungsdichte war nicht der einzige wichtige Faktor für die Beständigkeit. Die dynamisch-mechanische thermische Analyse (DMTA) zeigte, dass Zusammensetzungen, die mit einem effizienten Vulkanisationssystem hergestellt wurden, erst später als konventionell oder semi-effizient hergestellte Systeme chemischen Abbau des Netzwerks zeigen. Schlussfolgernd aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Beständigkeit von Nitrilkautschuk weiter verbessert werden kann, um die Minimalanforderungen für den Einsatz in Anwendungen mit Biodieselkontakt zu erreichen.

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 Felipe Nunes Linhares

Felipe Nunes Linhares
Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe
Universität Bayreuth

Informationen

Freie Schlagwörter: Nitrilkautschuk, Biodiesel, Formulierung, Kompatibilität, Härtungssystem
Institut / Lehrstuhl: Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Bayreuth / Institute of Chemistry at Rio de Janeiro State University
Sprache: Englisch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt (Betreuer), Prof. Dr. Cristina Russi Guimarães Furtado
Erscheinungsjahr: 2016
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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