Entwicklung eines mechanisch verstärkten und selbstheilenden Silikonelastomers

In der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungsergebnisse für die Entwicklung eines selbstheilenden und mechanisch verstärkten Silikonelastomers dargelegt. Das Ziel selbstheilender Materialien ist es, die Lebenszeit von Werkstoffen zu verlängern und dadurch mehr Sicherheit zu gewährleisten. Besonders an Orten, die schwer zugänglich sind, weisen selbstheilende Materialien Vorteile auf. Die Forschungsarbeit bezieht sich auf Silikonelastomere, die Anwendung in der Hochspannungstechnik, beispielsweise in Kabelmuffen, finden können. Als Folge von Inhomogenität in der polymeren Matrix kommt es hier zu Teilentladungen (TE), die das Polymer schädigen. Größer anwachsende Kavitäten erzeugen schließlich elektrische Verästelungen, die zu einem elektrischen Durchschlag führen, wenn eine vollständige Überbrückung des Isolators vorliegt. Der in der vorliegenden Arbeit verfolgte Ansatz zur Entwicklung eines selbstheilenden Silikonelastomers beruht auf der Integration eines Füllstoffs in das Silikonelastomer, der ein Reservoir für ein Heilreagenz aufweist. Die Wahl der Zusammensetzung der Komponenten dieses Füllstoffs, Kern- und Schale-Material, ist entscheidend für das Komposit mit der Anwendung als elektrischer Isolator, um Grenzflächen zu vermeiden. Füllstoff-Partikel, aufgebaut aus einem Polydimethylsiloxan (PDMS)-Kern und einer Polyorganosiloxan (POS)-Hülle, werden in einer Mikroemulsionspolymerisation hergestellt. Die Partikel werden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung sowie ihrer Größe und Gestalt mittels IR-Spektroskopie, thermogravimetrischer Analytik, UV/VIS-Spektroskopie, Helium-Pyknometrie und Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert. Auf diese Weise können PDMS-POS-Partikel mit einer Größe von ungefähr 1000 nm hergestellt werden. Die Kern-Schale-Partikel weisen einen graduellen Aufbau auf, in dem ein fließender Übergang von PDMS und POS angenommen wird. Die die mechanische Charakterisierung der Komposite zeigt, dass sowohl mit POS-Nanopartikeln als auch mit PDMS-POS-Partikeln eine mechanische Verstärkung bereits bei Füllstoffanteilen von 2 Gew.-% erzielt werden kann. Die Untersuchung des Komposites nach Zerstörung zeigt das Zulaufen der Risse auf den Füllstoff, was die Grundvoraussetzung für die Freisetzung des Selbstheilungsreagens darstellt. Die Schädigung des Silikonelastomers durch TE wird untersucht und so die Auswirkungen der Schädigung charakterisiert.