Entwicklung eines mechanisch verstärkten und selbstheilenden Silikonelastomers

Barnefkse, Lena Maria

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.

In the present work results on the research in the development of a self-healing and mechanical reinforced silicone rubber is presented. The aim of self-healing materials is to extend the service life of materials and thus ensure greater stability. Especially, in hard to reach places these materials would provide a significant advantage over conventional materials. The research work relates to silicone elastomers that can be used in high-voltage technology, for example in cable joints. The problem that exist is that partial discharges (PD), induced at the inhomogeneities in the polymeric matrix, cause an irreversible damage. Growing cavities develop into larger electrical trees, which lead to an electrical breakdown in case of bridging the insulation. This dissertation deals with the development of a self-healing silicone elastomer with the main approach based on the use of filler material, which would serve, firstly, as a filler for mechanical reinforcement, and, secondly, as a reservoir for the self-healing agent. The choice of the composition of the components of this filler is crucial for the composite with the application as electrical insulator. The aim is to avoid interfaces. Filler particles are synthesized using a micro emulsion polymerization. Polydimethylsiloxane- (PDMS-) and polyorganosiloxane- (POS-) particles, as well as pure POS-particles, as a reference, are synthesized and characterized. IR- and UV/VIS-spectroscopy, thermogravimetric analysis, helium-pycnometry and scanning electron microscopy are applied to characterize the composition, as well as the size and shape of the filler. PDMS-POS-particles with a diameter of around 1000 nm were synthesized. Core-shell particles have a gradual structure in which a smooth transition between PDMS and POS is assumed. Mechanical characterization of developed composites, consisting of 2 wt.-% filler material, revealed that these composites are mechanically reinforced. Further investigation show, that when the material is subjected to mechanical treatment, cracks started to form across the filler particles, which, on one hand, causes energy dissipation of the crack growth and on the other hand, triggers the start of the self-healing process by opening the filler particles. Investigation of the damage caused by PD point out the extent of it, which are important information for further investigations.

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Barnefkse, Lena: Entwicklung eines mechanisch verstärkten und selbstheilenden Silikonelastomers. 2018.

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