Hochdämpfende Polyurethan-Elastomere

Hochdämpfende Polyurethan-Elastomere
M. Heim, M. Seidl-Nigsch, H. Loy
Elastomere zeichnen sich dadurch aus, dass mechanische Verformungen reversibel sind. Verschwindet also die auf einen Prüfkörper
wirkende Kraft, bewegt sich dieser zurück in seine ursprüngliche Geometrie. Benötigt er dafür eine vernachlässigbare Zeitspanne,
ist der sogenannte elastische Anteil der Verformung sehr groß. Beansprucht das Wiederherstellen der Anfangsgeometrie hingegen eine nicht-vernachlässigbare Zeitspanne, ist der sogenannte viskoelastische Verformungsanteil ausgeprägt. Das Elastomer
ist dann nicht (ideal-)elastisch, sondern viskoelastisch. Je nach Anwendung verwenden Ingenieure elastische oder viskoelastische
Werkstoffe –, z.B. als schwingungsisolierenden oder -dämpfenden Bestandteil von Lagern. Getzner Werkstoffe bietet mit Sylodamp
einen Werkstoff mit ausgeprägt viskoelastischem Verhalten an. Es dämpft Stöße und Schwingungsamplituden und kommt somitüberall dort zum Einsatz, wo Lastspitzen reduziert und bei periodischen Kräften Resonanzphänomene eingeschränkt werden müssen. In diesem Aufsatz beschreiben wir jene physikalisch-chemischen Grundlagen, die das zielgerichtete Werkstoffdesign ermöglichen.
Elastomers are defined by their reversible deformation behavior: Consider a specimen underlying an external force. Once this force
vanishes, its initial geometry will be restored. In the case of ideal-elastic materials this happens nearly instantly, while so-calledviscoelastic materials need some time to restore the initial geometry. Depending on the application, engineers make use of one or
the other class of elastomers. For example, almost ideal-elastic materials are the best choice to isolate vibrations in, e. g., building
industry and railway engineering. In contrast, viscoelastic elastomers allow damping of impacts as well as damping of the amplitudeof vibrations. For such applications, Getzner Werkstoffe offers a material series named Sylodamp. In this article we describe the basic
physical and chemical relations allowing us to design materials with pre-defined damping characteristics.

1

Einleitung

Geschäumte Werkstoffe aus Polyurethan(PU) dienen als Schutz vor Körperschall undzur Schonung von Bauteilen. Sie werden
in den Bereichen Bahn, Bau und Industrie

Dr. Markus Seidl-Nigsch1
markus.seidl-nigsch@getzner.com
Materials Development
Markus Heim1
Research and Development, Railway Division
Dr. Harald Loy1,2
Head of Research and Development,
Railway Division
Getzner Werkstoffe GmbH, Bürs, Österreich

1

www.getzner.com
Institut für Infrastruktur, Arbeitsbereich Intelli-2gente Verkehrssysteme, Universität Innsbruck,
Innsbruck, Österreichwww.uibk.ac.at
Alle Abbildungen und Tabellen wurden, sofern
nicht anders angegeben, freundlicherweise vonden Autoren zur Verfügung gestellt.

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eingesetzt. Die Eigenschaften der Produkte
reichen von hochelastisch bis plastisch. Die
elastischen Werkstoffe wirken in technischen
Systemen wie Bahnoberbauten, Gebäudefundamenten und Maschinenlagern überwiegend als Feder, durch die Vibrationen
isoliert und dadurch bauliche Einheiten vor
Körperschall geschützt werden. Dieser entsteht im Allgemeinen durch dynamisch-periodische Kräfte oder durch Stoßbelastungen. Elastische Lager entkoppeln entweder
die Schallquelle von der Umgebung – wie
im Fall von Eisenbahnfahrwegen –, oder sie
trennen eine vibrierende Umgebung von derzu schützenden Anlage, etwa einem Wohnhaus.
Im einfachsten Fall lassen sich solche
Systeme als Ein-Massen-Schwinger mit der
Masse m beschreiben (Abb. 1). Das Federelement ist im Allgemeinen kein ideal-elastischer Werkstoff, im physikalischen Ersatzbild entspricht ihm daher die Parallelschaltung einer Feder und eines Dämpfers. Die
Steifigkeit dieser Feder-Dämpfer-Kombination bei dynamischer Belastung hängt vonder Frequenz f ab. Der dynamische Elastizitätsmodul Edyn(f) des Werkstoffs ist ein Maßfür diese Steifigkeit und bestimmt – neben
anderen Größen – die Eigenfrequenz f0 des
Ein-Massen-Schwingers:

1

wobei A die Lagerfläche und d die Lagerdicke sind. Neben der Steifigkeit des Werkstoffs (Edyn) steuern also die konstruktive
Form des Lagers (vollflächig, streifen- oderpunktförmig; A, d) und die Masse die Eigenfrequenz. Bei der Auslegung eines Lagers muss der Ingenieur die Parameter so
aufeinander abstimmen, dass die geforderte Eigenfrequenz herauskommt – wobei die
realisierbaren Parameterwerte im Allgemeinen eingeschränkt sind. Zum Beispiel kannAbb. 1: Physikalisches Ersatzbild für schwingungsfähige mechanische Systeme. Die FederDämpfer-Kombination weist bei periodischer Belastung mit der frequenzabhängigen Kraft F(f) eine dynamische Steifigkeit
auf, die dem dynamischen Elastizitätsmodul
Edyn des eingesetzten Werkstoffs entspricht.

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Hochdämpfende Polyurethan-Elastomere

Langzeitstabilität – aus der Minimie- Abb. 3: Zusammenhang zwischen einer sinusförmigen, dynamischen Belastung  (z. B. Pressung) und der Verforrung eine Optimierung.)  


Die Eigenfrequenz eines federnd gelagerEs gibt aber auch Anwendungen,ten Systems ist dessen zentrale Kenngröße,
bei denen der Lagerwerkstoff im Beweil sie die Wirksamkeit des Schallschutzes
reich der Schwingungsverstärkung  konkreteVorgaben erbestimmt. Die (stets unvollständige) Entkop(f/f0 <!)√2)& $ 
füllen!'muss. Ist z.B. eine Maschine
pelung des mit der Frequenz f schwingenden  
zu entkoppeln, die eine relativ groTeils hängt nämlich vom Verhältnis f/f0 ab.
  

Das Übertragungsmaß L quantifiziertdiesen
ße Zeitspanne zum Anlaufen bzw.
!
!
Zusammenhang:zum Erreichen
der Betriebsfrequenz!!" !#&"##"&*"!!# !&!")!)&(%
f benötigt, muss der Werkstoff das!!$ !(&""#(*%'
Resonanzphänomen bei f/f0 = 1 ein!!% !**)&%**!$
2!!& "#%$%%*%$'
schränken (Abb. 2).

mung ε (z. B. Stauchung) als Antwortsignal bei einem
viskoelastischen Werkstoff nach [1a]. t ist der sogenannte Phasenwinkel  die durch 2 ∙ f gegebene
Kreisfrequenz und  die sogenannte Phasenverschiebung.

  

die Lagerdicke begrenzt und die Masse fix
vorgegeben sein.

!!' "%)&#!(*!)!!( "(#$#"%'"'!!) "*&')')$$%
Soll ein Werkstoff die Lastspitzen!!* #")&&())$$
bei stoßartiger Belastung dämpfen
wobeiη der sogenannte mechanische Ver-!" #%!)(')$("!""#'#&)($"&
und somit nicht bloß das bei periolustfaktor ist.
!"# #)$'$%%(%'!!!*&&(%
dischen Kräften auftretende
ResoLager werden so ausgelegt, dass f/f0 > √2
!"$ $!$*'&"%))!"'!#((&!"% $#$&#(*)!)!$"!&*#(
ist, denn nur dann findet tatsächlich eine
nanzphänomen einschränken,
muss
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$%##($&&$!%'!"#$%– wenn auch nur unvollständige – Entkopsein Verlustfaktor sehr
groß sein. Getz!"' $'!"&%&"#%!'!)%*"(!"( $(("#&'*!%!(&&$#$
ner Werkstof!") $*$"%%#"'"!*!!#%'#
Abb. 2: Übertragungsmaß L in Abhängigkeit vom Verhältnis
der Frequenz f der dyfe hat mit Sylodamp!"* %!)"'*'#&%"!%#)*&$
namischen Kraft und der Eigenfrequenz f0. !#Der mechanische%##"'$*'#) Verlustfaktor "")#*"
einen für solche An!#" %$&!*")(($"$"**$''
 bestimmt den konkreten Verlauf der Kurve.
wendungen opti!## %%'*#!("#""%&$'#)*!#$ %&('#!&)'$"&)$'%*"
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rem Beitrag erläu!#( %))'$%!'")#!'!&*(*

Übertragungsmaß LLin/ dBÜbertragungsmaßdB

tern wir sowohl die
physikalischen als
5auch die material√2,00chemischen Zusam-5
menhänge, die dem
hohes η-10
zielgerichteten Deniedriges ηsign von Sylodamp-15
zugrunde liegen –-20
Verstärkung
Isolation
und wir beschrei-25
ben Anwendungen,-30
die unseren neuen
0
1
2
3
4
5
Werkstoff bereits
Frequenzverhältnis f / f0
nutzen. Schließlich
machen wir einenpelung der dynamischen Kräfte statt (negaBlick in die Zukunft und diskutieren das Potiver Wert für L, Abb. 2). Je größer f/f0 bzw.
tenzial hochdämpfender Polyurethan-Elasje kleiner f0 ist, umso kleiner ist L und umso
tomere für Produkte zum Schutz vor Eisenbesser isoliert das Lager den schwingenden
bahnlärm.
Teil. Der ideale Werkstoff zum Schutz vor Vibrationen weist daher einen möglichst klei2 Theorie viskoelastischer
nen dynamischen Elastizitätsmodul Edyn auf(Gleichung 1). Aus diesem Grund ist die MiWerkstoffe
nimierung des Elastizitätsmoduls und somit
2.1 Belastung, Verformung und Zeitdes Übertragungsmaßes L ein häufiges Ziel
bei der Entwicklung neuer Werkstoffe. (ImBei elastischen Werkstoffen sind mechaAllgemeinen machen jedoch anwendungsnische Verformungen reversibel: Prüfkörper
spezifische Vorgaben – z.B. in Bezug auf die
10

Resonanz

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


oder Bauteile aus ideal-elastischem Material nehmen unmittelbar nach dem Aufheben
der Belastung ihre ursprüngliche Geometriean; solche aus viskoelastischem Material tun
dasselbe, benötigen dazu aber eine endliche
Zeitspanne – die (Rück-)Verformung folgt
der Belastungsänderung zeitlich verzögert
(Abb. 3).
Diese Verzögerung ist die makroskopische
Folge von dämpfend wirkenden Bewegungen auf atomarer Ebene (parallelgeschalteter Dämpfer im physikalischen Ersatzbild in
Abb. 1). Ist die Verformung nicht vollständig
reversibel, dann liegt zusätzlich ein viskoser
Verformungsanteil vor. Im Ersatzbild entspricht er einem in Serie geschalteten Dämpfer. Ein Spezialfall viskoser Verformung ist
das sogenannte Kriechen, das langsam stattfindet und somit eine große Belastungsdauer voraussetzt. Es ähnelt dem Fließen einer
Polymerschmelze.
Beide dämpfenden Verformungsanteile(viskoelastisch und viskos) korrelieren mit
dem Umlagern von Abschnitten der Polymerketten, mit dem Wandern von Seitenketten durch das umliegende Polymergerüst und mit anderen – potenziell irreversiblen – Bewegungen [1b]. Dabei erwärmt
sich der Werkstoff durch mikroskopische
Reibungseffekte (Energie wird dissipiert),
sodass nur ein – mehr oder weniger großer
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– Teil der durch die äußere Kraft verrichteten Arbeit als pozentielle Energie gespeichert wird.
Im Gegensatz dazu korreliert der ideal-elastische Verformungsanteil (Feder in
Abb. 1) mit der Änderung interatomarer Abstände und der Verzerrung von Valenzwinkeln[1b]. Die damit assoziierten Bewegungsmodi
gehen kaum mit Wärmeverlusten einher, weil
die Änderung der räumlichen Koordinaten derjeweils beteiligten Atome klein ist.

der Dämpfung schwingungsfähiger Systemeoder Bauteile (Dämpfungskonstante, Dämpfungskoeffizient, Lehrsches Dämpfungsmaß,logarithmisches Dekrement etc.) von Größen
zur Charakterisierung dämpfender Materialien zu unterscheiden sind. Der quantitative
Zusammenhang zwischen Verformungs- und
Belastungskurve (Abb. 3) kennzeichnet die
Steifigkeit des Werkstoffs – im Fall der relativen Verformung und der Spannung ist diesder dynamische Elastizitätsmodul Edyn (einekomplexe Größe):2.2 Mechanischer Verlustfaktor und
dynamischer Elastizitätsmodul

periodisch-dynamischen Belastung mit der
Frequenz f nicht folgen können. Die mit derLast einhergehende Verformung korreliert
daher nur mit der Änderung interatomarer
Abstände und der Verzerrung von Valenzwinkeln, weshalb die Verformung klein undder Elastizitätsmodul groß ist. Außerdem ist
der Werkstoff hart und spröde. Die Verformungsarbeit wird als pozentielle Energie gespeichert, sodass der elastische Verformungsanteil sehr groß und der Verlustfaktor sehrklein ist. Nimmt die Belastung ab, verursacht

4

Im Fall einer periodisch-dynamischen Belastung ist die Verschiebung zwischen Verformungs- und Belastungskurve – quantifiziert
anhand des Winkels  (Abb. 3) – ein geeignetes Maß zur Charakterisierung der Werkstoffdämpfung. Die sogenannte Phasenverschiebung  folgt aus der zeitlichen Differenz tzwischen Verformungs- und Belastungsänderung und ist somit umso größer, je größer die
viskoelastischen und viskosen Verformungsanteile eines Werkstoffs sind. Es ist vorteilhaft, den Tangens der Phasenverschiebung
anzugeben, weil dieser sowohl das Verhältnis
von dissipativer zu potenzieller Energie alsauch das Verhältnis von Verlust- zu Speichermodul wiedergibt. Zugleich ist diese Größe
bereits aus der Einleitung bekannt; es ist dermechanische Verlustfaktor :

3dabei sind T die Temperatur, f die Frequenz,
 die Phasenverschiebung, ED die dissipative
Energie (Wärmeenergie), Epot die potenzielle
Energie, 0 die Spannung, ε0 die Verformung(Dehnung oder Stauchung), E‘‘ der Verlustmodul und E‘ der Speichermodul.
Der Begriff Verlust-Faktor weist darauf
hin, dass die in Wärme umgewandelte Energie zur wiedergewinnbaren Formänderungsenergie – das ist die gespeicherte potenzielle Energie – in Beziehung gesetzt wird. An
dieser Stelle sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Kenngrößen zum Beschreiben
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wobei die Beziehung E‘‘ =  ∙ E‘ verwendet
wurde.
Edyn bestimmt (neben anderen Größen) die
Eigenfrequenz f0 des Ein-Massen-Schwingers (Gleichung 1). Der Betrag ist gegeben
durch:

das interatomare Potenzial – d.h. die Wechselwirkungsenergie zwischen den Atomen –die mikroskopischen Kräfte, die für das makroskopische beobachtbare Rückstellverhalten
verantwortlich sind. Aus diesem Grund heißt
der Zustand energieelastisch.

5

Dabei ist A die Spannungsamplitude undεεA die Verformungsamplitude (Abb. 3).
Sowohl der dynamische Elastizitätsmodul
als auch der Verlustfaktor eines Elastomers
hängen von der Temperatur und der Frequenz ab, darüber hinaus sind sie aber aucheine Funktion der Vorlast und der Spannungsamplitude (kraftgeregelte Messung).
Die Temperaturabhängigkeit der genannten
Größen steht beim Entwickeln eines Elastomers im Zentrum, weil sie aufgrund verschiedener physikalisch-chemischer Zustände stark ausgeprägt ist: die Kurven E'(T) undEdyn(T) weisen eine Stufe auf und die Kurve
η(T) hat ein Maximum (Abb. 4). Die Eigenschaften des Werkstoffs im energieelastischen Bereich unterscheiden sich sehr stark
von jenen im entropieelastischen Bereich.
Zum Beispiel kann der Elastizitätsmodul der
beiden Zustände um das Zehn- bis Tausendfache divergieren [1d].
Im energieelastischen Bereich – d.h. bei
tiefer Temperatur – ist die Beweglichkeit
der Polymerketten so klein, dass sie einer

Im entropieelastischen Bereich – also bei
hoher Temperatur – hingegen ist die Beweglichkeit der Polymerketten sehr groß. Rotationen und Umlagerungen von Kettensegmenten und gegebenenfalls vorhandenen Seitenketten finden auf einer Zeitskala statt,die relativ zur Frequenz f der periodischdynamischen Belastung kurz ist. Die Verformungskurve des Werkstoffs ist daher gegenüber der Belastungskurve (Abb. 3) nur wenig
verschoben – der mechanische Verlustfaktor
ist aus diesem Grund auch in diesem Temperaturbereich klein. Aufgrund der mikroskopischen Bewegungen ist der Werkstoff
weich und der Elastizitätsmodul ist somit
klein. Im Gegensatz zum energieelastischen
Zustand ist im entropieelastischen Zustandnicht die Energie, sondern die Entropie jene
Größe, die Verformungen reversibel macht:
Die Polymerketten liegen im unbelasteten
Zustand nämlich als Knäuel vor, weil diesegegenüber gestreckten Ketten aufgrund desgrößeren Entropieterms zu einer niedrigeren
Gibbs-Energie führen. Beim Belasten werden
die Polymerketten gestreckt und die Verformungsenergie in Form verkleinerter Entro473

13.11.20 07:31

Hochdämpfende Polyurethan-Elastomerepie (bzw. vergrößerter Gibbs-Energie) gespeichert.
2.3 Hochdämpfende Elastomere
Für technische Anwendungen – wie fürden allgemeinen Gebrauch – kommen Elastomere fast ausschließlich in ihrem entropieelastischen Zustand in Frage. Hier besitzen sie jene Eigenschaften, die bspw. ein
Federelement zur Isolation von Vibrationen
aufweisen muss: Edyn und  sind klein undsomit ist auch das Übertragungsmaß L im
Bereich f/f0 > √2 klein (Abb. 2).
Eine Ausnahme bilden hochdämpfende– also energieabsorbierende – Elastomere:
Diese müssen bei der Gebrauchstemperatur im Übergangszustand zwischen energie- und entropieelastischem Zustand vorliegen. In ihm nehmen Elastomere nämlicheinen großen Teil der eingebrachten Energie
auf, indem sie Verformungsarbeit in Wärme
umwandeln. Das zu diesem Übergangszustand gehörende Temperaturfenster heißt
Glasübergangsbereich, weil sich die Eigenschaften beim Aufwärmen von glasig (fest)
in weichelastisch ändern. Der glasartige
Kunststoff geht aufgrund seines chemischen Aufbaus aus Makromolekülen zwar
nicht unmittelbar in eine Flüssigkeit über,die Mobilität von Kettensegmenten undSeitenketten erinnert aber an deren Bewegungen in einer Polymerschmelze (die bei
Thermoplasten durch weiteres Erwärmen
tatsächlich zugänglich ist).
Im entropieelastischen Zustand relaxieren
die Polymerketten relativ zur Frequenz derperiodisch-dynamischen Belastung schnell,
im energieelastischen Zustand hingegen sehrlangsam. Ihre mikroskopischen Bewegungensind daher in beiden Fällen von der makroskopischen Verformung entkoppelt. Daraus
folgt, dass im Übergangsbereich zwischenden beiden Zuständen die Bewegungen derKettensegmente (und der gegebenenfalls
vorhandenen Seitenketten) von der äußeren Verformung gerade nicht entkoppelt
sind. Die Frequenz f determiniert daher die
Lage des Übergangsbereichs, und die Koppelung selbst bestimmt die Eigenschaftendes Elastomers im entsprechenden Temperaturfenster. Analog zu schwingungsfähigen
mechanischen Systemen (Abb. 1) bewegen474

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sich die Polymerketten mehr Abb. 4:oder weniger im Takt der periodischen Belastung.

Speichermodul E‘, Verlustmodul E‘‘ und mechanischer Verlustfaktor  eines Elastomers bei periodischer Belastung (mitkonstanter Frequenz f) als Funktion der Temperatur nach [1c].
Der stufenförmige Abschnitt des Speichermoduls bzw. der Peakdes Verlustmoduls definieren den Glasübergangsbereich. Aufseiner Tieftemperaturseite liegt der energieelastische Bereich,auf seiner Hochtemperaturseite der entropieelastische Bereich.
Die Glasübergangstemperatur Tg beschreibt die Lage des Glasübergangsbereichs; hier ist sie definiert als Wendepunkt in derE‘-Kurve.

Im Extremfall kommt es– wiederum wie bei makroskopischen Systemen(Abb. 2) – zur Resonanz.
Im Allgemeinen tritt dieser Fall ein, wenn die Frequenz f und der Kehrwert
der Relaxationszeit 1/τ(T)gleich groß sind. Je näherf ∙ (T) bei 1 liegt, umso größer ist die Koppelung undumso größer ist auch der Verlustmodul E‘‘(T). Den Glasübergangsbereich zeichnet daher
ein Peak in der Kurve E‘‘(T) aus(Abb. 4). Aufgrund der Relation (T) = E‘‘(T)/E‘(T) weist auchder mechanische Verlustfaktor
einen Peak auf. Während bei
mechanischen Systemen Resonanz zu einer
Verstärkung der Schwingungsamplitude führt(Abb. 2), wirkt sie sich im Inneren von Elastomeren dämpfend aus (Abb. 4).
Eine Erklärung für den großen Verlustmodul im Übergangsbereich liefert die sogenannte Freies-Volumen-Theorie der Glasbildung [1e, 2, 3]: Das Volumen eines Prüfkörpers nimmt beim Abkühlen ab, wodurch
auch das freie Volumen zwischen den Polymerketten kleiner wird. Zugleich nehmen
die Wechselwirkungen zwischen den Kettenzu, weil die interatomaren Abstände kleiner
werden. Die Kettensegmente und Seitenketten können sich zwar noch bewegen, allerdings wird ein Teil der makroskopischen Verformungsarbeit durch mikroskopische Reibungseffekte in Wärme umgewandelt. Der
entsprechende Energieanteil geht verloren
und steht somit nicht mehr zur Wiederherstellung der ursprünglichen Geometrie desPrüfkörpers zur Verfügung, was die Verformung gegenüber der Belastung verzögert
(Abb. 3).
Der Peak der Kurven E‘‘(T) und η(T) ist
bei Kunststoffen sehr breit, weil Polymere durch ein breites Spektrum an Relaxationszeiten charakterisiert sind: Jeder Unterschied im chemischen Aufbau einzelner
Kettensegmente, in der Länge von Seiten-ketten etc. sowie jeder Unterschied in derräumlichen Umgebung eines Segments
führt zu einer je eigenen Relaxationszeit.
Die Lage des Glasübergangsbereichs gibt die
Glasübergangstemperatur Tg an, wobei sie
verschieden definiert werden kann – z. B. als
jene Temperatur, bei der die Krümmung derKurve E‘(T) ihr Vorzeichen wechselt (Wendepunkt, Abb. 4).
2.4 Design viskoelastischer Polyurethane mit ausgeprägter Dämpfung
Elastomerprodukte haben bei der Gebrauchstemperatur üblicherweise einen mechanischen Verlustfaktor  von 0,1 bis 0,2;
sie sind daher mäßig dämpfend. Vereinzelt
sind auch Elastomere mit  < 0,1 am Markt,z. B. Sylodyn von Getzner Werkstoffe. Bei
diesen Werkstoffen ist die Dämpfung sehrklein, dementsprechend verwendet man sieüberall dort, wo die Funktion einer möglichst verlustfreien Feder zu erfüllen ist. Ein
Beispiel dafür ist der Vibrationsschutz, bei
dem das Übertragungsmaß L im relevanten
Bereich möglichst klein sein soll. Zum einen
ist L umso kleiner, je kleiner  ist (Abb. 2).
Zum anderen hängt L von der Eigenfrequenzf0 √Edyn des Systems ab. Je kleiner f0 bzw.
Edyn ist, umso größer ist das Verhältnis f/f0
– also die Abszissengröße in Abbildung 2 –und umso kleiner ist das zugehörige ÜberGAK 11/2020 – Jahrgang 73

13.11.20 07:31

(a) Ausmaß der Dämpfung(b) Mechanische Langzeitstabilität(c) Breite des Glasübergangsbereichs
Zu (a): Um einen Verlustfaktor ≥ 0,3 zu erzielen, muss die vorgegebene Gebrauchstemperatur im Bereich des Peaks der (T)-Kurve(Abb. 4), das heißt im Glasübergangsbereichliegen. Aus diesem Grund ist die Lage desGlasübergangs eine Zielgröße. Sie hängt vonvier Strukturmerkmalen ab [1f]: Wechselwirkungen zwischen einzelnen Ketten bzw.
Kettenabschnitten (Van-der-Waals-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen)und Hauptvalenzbindungen schränken die
Beweglichkeit der Hauptketten ein. Physikalische und chemische Vernetzung erhöht
daher die Glasübergangstemperatur Tg. Darüber hinaus ist Tg umso höher, je mehr die
Drehbarkeit um die C-C-Bindungen und
die Beweglichkeit von Kettenabschnitten
zueinander behindert sind. Aus diesem
Grund verschieben sperrige Seitengruppen
und Ringstrukturen in der Hauptkette den
Glasübergangsbereich in Richtung höherer
Temperatur. Verschiedene Kunststoffe weisen daher sehr unterschiedliche Werte für Tg
auf, sie reichen von -70 °C (Polyisobutylen)bis 145 °C (Polycarbonat) [1g].
Zu (b): Rohstoffe mit dämpfend wirkenden
Strukturmerkmalen erhöhen neben dem viskoelastischen häufig auch den viskosen Verformungsanteil des Werkstoffs. Dieser wirktsich nachteilig auf das bei vielen technischen
Anwendungen erforderliche Dauerstandbzw. Dauerschwellverhalten aus, denn die
viskose Verformung ist irreversibel, was das
Rückstellvermögen reduziert. Die Rezeptur
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muss somit das rechte Maß Abb. 5: Das Sylodamp-Sortiment aus sechs verschieden steifen Werkstofftypen
zwischen den einander widerstrebenden Materialeigenschaften Dämpfung
und mechanische Langzeitstabilität treffen.
Zu (c): Die Gebrauchstemperatur – also jene
Temperatur, bei der Werkstoffe ihre Funktion erfüllen müssen – ist tatsächlichein endlich breiter Bereich.
Dämpfende Produkte müshat Getzner Werkstoffe einen hochdämpfensen daher bei praktisch allen Anwendungenden Werkstoff aus Polyurethan entwickelt.
(verbaut in Geräten, im Inneren von GebäuDer Werkstoff Sylodamp ist explizit nicht das
den oder im Freien) die geforderte EnergieErgebnis der Maximierung einer einzelnen
absorption in einem bestimmten TemperaEigenschaft (zum Beispiel der Dämpfung),
turfenster aufweisen. Da die Gebrauchstemsondern das Ergebnis eines Optimierungsperatur im Bereich des Peaks des mechaniprozesses, der sämtliche Forderungen an ein
schen Verlustfaktors (T) liegen muss (siehedämpfendes Elastomer (siehe oben) berückPunkt (a)), soll der Peak möglichst breit sein.
sichtigt.
Dann hängen nämlich (T) und die Energieabsorption nicht zu stark
von der Temperatur ab Abb. 6: Mechanischer Verlustfaktor der sechs Sylodamp-Typen in Abhängigkeit von der Temperatur (dynamisch-mechanische Analyse bei einer
und die Dämpfung ist
statischen Last unterhalb der Obergrenze des statischen Einsatzbeüber den ganzen Einsatzreichs, sinusförmige Anregung mit einem Geschwindigkeitspegel vonbereich ausreichend hoch.
100 dB bei einem Referenzwert von 5 ∙ 10-8 m/s und einer Frequenz
Der Glasübergangspeak
von 10 Hz, Formfaktor 3).
ist umso breiter, je größer
0,8
das Spektrum an RelaxaSP 10
SP 30
tionszeiten ist. Der Werk0,7
SP 100SP 300stoff muss daher struktu0,6
SP 500
SP 1000
rell heterogen sein, und0,5
die individuellen, lokalen
0,4Strukturen müssen in un0,3
gefähr gleichem Ausmaß
0,2vorliegen.
Mechanischer Verlus;aktor

tragungsmaß L. Der dynamische Elastizitätsmodul Edyn wiederum ist umso kleiner,
je kleiner der Verlustmodul E‘‘ und der Verlustfaktor  sind (Gleichung 5). Dämpfung
erhöht daher das Übertragungsmaß L (Gleichung 2) direkt über  und indierkt über die
Korrelationskette E‘‘-Edyn-f0.
Elastomere mit  ≥ 0,3 sind stark dämpfend und dienen als Energieabsorber bei
Stoßbelastungen oder zum Einschränken
des Resonanzphänomens bei periodischer
Belastung (Abb. 2). Bei der Synthese dafürgeeigneter Werkstoffe aus Polyurethan mussder Entwickler eine Rezeptur finden, die verschiedene Forderungen optimal erfüllt:0,1

Die vielfältigen Zielvor0,0-10gaben in Bezug auf die Eigenschaften eines neuen
Elastomers mit großer
Dämpfung und ihre chemisch-physikalischen
Korrelationen machen deutlich, dass Erfahrungswissen eine äußerst wertvolle Ressource für Unternehmen darstellt, die Rezepturen
selbst entwickeln.

3

Neue Werkstoffreihe

Um einen Ausgleich zwischen einem hohen Verlustfaktor von  ≥ 0,45 und der mechanischen Langzeitstabilität zu schaffen,

0

10

20
30
Temperatur°C
Temperaturin/ °C

4050

3.1 Eigenschaften
Sylodamp gibt es in sechs farblich gekennzeichneten Typen unterschiedlicher
Steifigkeit (Abb. 5), wodurch für verschiedene statische Belastungen im Bereich
0,005 N/mm² bis 0,5 N/mm² eine effiziente Auslegung möglich ist. Je nach Typverträgt Sylodamp Lastspitzen, die relativ
zur Obergrenze des statischen Einsatzbereichs zehn- bis fünfzigmal so groß sind.
Der Druckverformungsrest beträgt weni475

13.11.20 07:31

Hochdämpfende Polyurethan-Elastomere

ger als 5 % (Lagerung: 25 % Stau- Abb. 7:
chung, 23°C, 72 h; Prüfung 30 min
nach dem Entlasten).

Dynamischer Elastizitätsmodul der sechs Sylodamp-Typen als Maßfür die Steifigkeit der Werkstoffe in Abhängigkeit von der Temperatur (dynamisch-mechanische Analyse bei einer statischen Last unterhalb der Obergrenze des statischen Einsatzbereichs, sinusförmige
Anregung mit einem Geschwindigkeitspegel von 100 dB bei einem
Referenzwert von 5 ∙ 10-8 m/s und einer Frequenz von 10 Hz, Formfaktor 3)!'# 2      "Dynamischer
Elastizitätsmodul
in N/mm

Bei klassischen Elastomeren befindet sich praktisch der gesamte
Glasübergangsbereich unterhalb der&%%%
Raumtemperatur. Dementsprechend
&%
(%
ist der mechanische Verlustfaktor
&%%
(%%bei Raumtemperatur mit 0,1 bis 0,2&%%*%%
&%%%
klein. Im Gegensatz dazu beträgt er
bei den Typen der Sylodamp-Reihe&%η ≥ 0,45, weil bei ihnen das Maximum der Kurveη(T) in der Nähe&
der Raumtemperatur und somit im
Bereich der Gebrauchstemperatur
liegt (Abb. 6). Zugleich ist die Brei%&
!&%
%
&%
'%
(%
)%
*%
te des (T)-Peaks und somit der Glas    $
Temperatur in °Cübergangsbereich so groß, dass die
Dämpfungseigenschaften des Werkstoffs im Einsatzbereich nicht zu
stark von der Temperatur abhängen. Abb. 8: Lagerungen eines Kompressors auf parallel geschalteten Zylindern
aus Sylodamp und Stahlfedern

Die Rückprallelastizität von 13 %bis 16 % und die für das jeweils vorliegende Raumgewicht verhältnismäßig große dynamische Steifigkeit(Abb. 7) spiegeln das ausgeprägte
Dämpfungsverhalten von Sylodamp
wider.
3.2 Anwendungen
Sylodamp mindert das Ausmaßvon Resonanzphänomenen bei Anwendungen mit periodischen Belastungen (Abb. 8). Bei Stößen
bewirkt es die Isolation von Körperschall sowie schnelleres AbklinAbb. 9: Protektor aus Sylodamp zum Schutz des Körpers bei stoßartigen Begen von Schwingungen. Außerdem
lastungen
schützt es mechanisch beanspruchte Bauteile, empfindliche Elektronikoder Menschen (Abb. 9) vor zu großen Kräften – z. B. als Werkstoff fürdie Füße von Stanzmaschinen, als
Aufprallschutz und dergleichen.
Ingenieure können die gewünschte Wirkung (Schwingungsisolation, Schwingungsdämpfung,
Reduktion der maximalen Kraft)
optimieren, indem sie Werkstoffe mit verschiedenen Feder- bzw. Dämpfungseigenschaften in Parallel- oder Reihenschaltung
kombinieren (Abb. 8). Körper- oder luft476

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schalltechnische Messungen vor Ort helfen, die spezifische Anwendung zu optimieren und die Werkstoffe ideal auszulegen.

4 Ausblick: Schwingungsdämpfer gegen Eisenbahnlärm
Das Eigenschaftsprofil von Sylodamp hält die Balance zwischenden einander entgegengesetzten
Werkstoffeigenschaften Dämpfung
und mechanische Langzeitstabilität. Dadurch bewirkt Sylodamp Produktverbesserungen in vielen Anwendungsbereichen ohne extreme
Spezifikation.
Ist jedoch – wie z. B. im Eisenbahnwesen – das geforderte Dauerschwellverhalten besonders groß,muss der mit Sylodamp verwirklichte Rezepturansatz modifiziert werden. Der Faktor Langzeitstabilität
erhält dann im Optimierungsprozess ein größeres Gewicht und es
werden Rohstoffe eingesetzt, die den
Ziel-Eigenschaften des gewünschten
Produkts entsprechen. Bahnspezifische Produkte aus PolyurethanWerkstoffen mit hoher Dämpfung
haben großes Potenzial, weil sie die
Lebensdauer des Eisenbahnoberbaus verlängern [4] und außerdem
den Eisenbahnlärm reduzieren können. Dieser nimmt aufgrund zunehmender Auslastung von Bahnstrecken stetig zu – und damit auch die
Lärmbelastung von uns Menschen.

Im Eisenbahnoberbau emittieren schwingende Schienen und
Schwellen Schall (Abb. 10). Hochdämpfende Zwischenlagen könnten diesen verringern und so zum
Lärmschutz beitragen. Üblicherweise dienen Zwischenlagen als federnde Elemente zwischen Schiene
und Schwelle. Sie bewirken, dass die
Last des Zuges auf mehr Schwellenverteilt wird und dadurch der Oberbau geschont und seltener gewartet
werden muss. Gängige Zwischenlagen aus elastischen Werkstoffen mit
kleinem mechanischem Verlustfaktor
erfüllen diese Funktion sehr gut, mindern
aber kaum das Schwingen der Schienen und
Schwellen und die damit verbundene Lärmemission. Im Gegensatz dazu haben viskoGAK 11/2020 – Jahrgang 73

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Abb. 10: Lärm durch Eisenbahnverkehr: Die Wechselwirkung zwischen Rad und Schiene bewirkt, dass die Räder, Schienen und Schwellen schwingen [5] und dadurch Luftschall erzeugen.

faktor beträgt bei allensechs Sylodamp-Typen ≥0,45.
Um einen so hohen Verlustfaktor zu erreichen,muss der viskoelastische
Verformungsanteil sehr
groß sein. Deshalb ist Sylodamp aus chemischen
Struktureinheiten aufgebaut, die dazu führen, dassder Werkstoff bei Raumbzw. Gebrauchstemperatur im Glasübergangsbereich vorliegt. In diesem bewegen sich die
Polymerketten nämlich ungefähr im Takt
mit der periodischen Belastung, zugleich
ist das für die Bewegung zur Verfügung
stehende freie Volumen klein. Beides führt
zu mikroskopischer Reibung – Energie wird
dissipiert.

Abb. 11: Muster einer hochdämpfenden Zwischenlage aus viskoelastischem
Polyurethan

elastische, hochdämpfende Zwischenlagen(Abb. 11) das Potenzial, die Schwingungsamplituden und dadurch den Pegel desemittierten Schalls zu verkleinern.

5

Zusammenfassungzum Schutz vor Lärm. Zum Beispiel könnten dämpfende Zwischenlagen im Eisenbahnoberbau die Schwingungen von Rädern, Schienen und Schwellen und somit die
Lärmemission reduzieren. Um das im Bahnwesen geforderte Dauerschwellverhalten zu
erfüllen, ist die mit Sylodamp verwirklichte
Rezeptur zu modifizieren, wobei der Faktor
Langzeitstabilität in einem neuen innovativen Zwischenlagen-Produkt ein größeres
Gewicht erhält.

6

Literatur[1] G. W. Ehrenstein, „Polymer-Werkstoffe. Struktur, Eigenschaften, Anwendung“, Carl-HanserVerlag, München, 2011, a) S. 181, b) S. 36, c) S.
183, d) S. 34, e) S. 82f u. 192–195, f) S. 199–
201, g) S. 203.
[2] M. H. Cohen, D. Turnbull, „Molecular transport
in liquids and glasses“, J. Chem. Phys. 31

Hochdämpfende Elastomere sind viskoelastische Werkstoffe. Aufgrund ausgeprägter Reibung zwischen Kettenabschnitten des Polymergerüsts absorbierensie beim Verformen Bewegungsenergie. Ingenieure verwenden dämpfende Elastomere
daher zum Reduzieren von Lastspitzen bei
Stößen sowie zum Einschränken von Resonanzphänomenen bei periodischen Kräften.
Getzner Werkstoffe hat mit Sylodamp eine
Werkstoff-Reihe für solche Anwendungenentwickelt. Diese ist bei Raumtemperatur
stark dämpfend: Der mechanische Verlust-

Das Eigenschaftsprofil von Sylodamp ist
das Ergebnis eines materialchemischen Optimierungsprozesses, der sowohl zu einem
hohen Verlustfaktor als auch zu einer hohen mechanischen Langzeitstabilität desWerkstoffs führt. Er eignet sich somit fürviele verschiedene Anwendungen, bei denen Menschen, empfindliche Elektronik odermechanisch beanspruchte Bauteile vor zu
großen Kräften geschützt werden sollen.

(1959), 1164.
[3] M. D. Ediger, C. A. Angell, S. R. Nagel, „Supercooled liquids and glasses“, J. Phys. Chem. 100(1996), 13200.
[4] H. Loy, A. Augustin, „Pushing the limits of ballasted heavy-haul railway track by means ofhigh-strength under-sleeper pads made of a
specially developed PUR“, Rail Engineering International Edition 2015, Number 4 (2015), 3.
[5] D. J. Thompson, C. J. C. Jones, „A review of themodelling of wheel/rail noise generation”,

Darüber hinaus haben hochdämpfende
Polyurethan-Elastomere großes Pozential

J. Sound Vib. 231 (2000), 519.

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Hochdämpfende Polyurethan-Elastomere

Abb. 12: Getzner Zwischenlagen aus Polyurethan im Eisenbahnoberbau

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