F O R U M F Ü R D I E P O LY U R E T H A N I N D U S T R I E

PU MAGAZIN

1-2/2021

Inter

März

r, FSK

laus

inge
Jung

it K
iew m

v

aumm

h
ichsc
e
W
PU

ende

mpf
chdä

Ho

2020
mere

sto
U-Ela

P

ung

form
e Ent

n

e
Trock

anz
e: Bil

t

erich

tb
Mark

uropa

in E
arkt

Fachverband Schaumkunststoffe und Polyurethane e. V. (FSK)

Wir schaffen Lösungenfür die Branche!
NEU! FSK-Schulungen füralle Verwender von Diisocyanaten

Registrierung

Verbandsleistungen:. Kommunikation und Ideenaustausch. Regelmäßige aktuelle Informationen zu
Gesetzen und Regelungen. Weiterbildung und Seminare. Lieferantensuche. Marktinformationen. Fachtagungen / Veranstaltungen. Mitarbeit in Verbänden
. Mitarbeit in Normungsgremien. Innovationswettbewerbe. Nachwuchsförderung. Interessenvertretung und Lobbying

Evaluierung
und

A

Dr.

Gup
t

aV
erla

gs

Gm
b

H

utorisierungvonCHemikalienwww.fsk-vsv.de

www.pu-magazin.de
Fachverband Schaumkunststoffe
und Polyurethane e.V.
Titel PU_D 1-2_2021.indd 85

19.03.21 14:11

M. Heim, M. Seidl-Nigsch, H. Loy

Hochdämpfende Polyurethan-Elastomere
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 dersogenannte elastische Anteil der Verformung sehr groß. Beansprucht das Wiederherstellen der Anfangsgeometrie hingegen eine nichtvernachlässigbare 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 somit überall 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-called viscoelastic
materials need some time to restore the initial geometry. Depending on the application, engineers make use of one or the other classof 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 amplitude of vibrations. For suchapplications, 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
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 Intelligente

2

Verkehrssysteme, Universität Innsbruck, Innsbruck,Österreichwww.uibk.ac.at

Einleitung

Geschäumte Werkstoffe aus Polyurethan(PU) dienen als Schutz vor Körperschall undzur Schonung von Bauteilen. Sie werden inden Bereichen Bahn, Bau und Industrie 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 unddadurch bauliche Einheiten vor Körperschallgeschützt werden. Dieser entsteht im Allgemeinen durch dynamisch-periodische Kräfteoder durch Stoßbelastungen. Elastische
Lager entkoppeln entweder die Schallquelle
von der Umgebung – wie im Fall von Eisenbahnfahrwegen –, oder sie trennen eine vibrierende Umgebung von der zu schützenden
Anlage, etwa einem Wohnhaus.

Alle Abbildungen und Tabellen wurden, sofern nicht
anders angegeben, freundlicherweise von den Autoren
zur Verfügung gestellt.

44

44-51__160920_3_Seidl Nigsch_PUM_01-02_2021_DL_1903.indd 44

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 von der
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 kanndie Lagerdicke begrenzt und die Masse fix
vorgegeben sein.
Die Eigenfrequenz eines federnd gelagerten
Systems ist dessen zentrale Kenngröße,

PU MAGAZIN · MÄRZ 2021 · JAHRGANG 21

19.03.21 14:15

Abb. 1: Physikalisches Ersatzbild für schwingungsfähige mechanische Systeme. Die
Feder-Dämpfer-Kombination weist bei
periodischer Belastung mit der frequenzabhängigen Kraft F(f) eine dynamische
Steifigkeit auf, die dem dynamischen
Elastizitätsmodul Edyn des eingesetzten
Werkstoffs entspricht.

weil sie die Wirksamkeit des Schallschutzes
bestimmt. Die (stets unvollständige) Entkoppelung des mit der Frequenz f schwingenden
Teils hängt nämlich vom Verhältnis f/f0 ab.
Das Übertragungsmaß L quantifiziert diesen
Zusammenhang:2

wobei  der sogenannte mechanische Verlustfaktor ist.

Wert für L, Abb. 2). Je größer f/f0 bzw. jekleiner f0 ist, umso kleiner ist L und umso
besser isoliert das Lager den schwingenden Teil. Der ideale Werkstoff zum
Schutz vor Vibrationen weist daher einenmöglichst kleinen dynamischen Elastizitätsmodul Edyn auf (Gleichung 1). Aus
diesem Grund ist die Minimierung desElastizitätsmoduls und somit des Übertragungsmaßes L ein häufiges Ziel bei der
Entwicklung neuer Werkstoffe. (Im Allgemeinen machen jedoch anwendungsspezifische Vorgaben – z. B. in Bezug auf die
Langzeitstabilität – aus der Minimierung
eine Optimierung.)Es gibt aber auch Anwendungen,bei denen der Lagerwerkstoff im
Bereich der Schwingungsverstärkung(f/f0 < √2) konkrete Vorgaben erfüllen
muss. Ist z. B. eine Maschine zu entkoppeln, die eine relativ große Zeitspannezum Anlaufen bzw. zum Erreichen der
Betriebsfrequenz f benötigt, muss derWerkstoff das Resonanzphänomen bei
f/f0 = 1 einschränken (Abb. 2).

ÜbertragungsmaßÜbertragungsmaß LLin/ dB

Soll ein Werkstoff die Lastspitzen bei stoßartiger Belastung dämpfen und somit nicht
bloß das bei periodischen Kräften auftreLager werden so ausgelegt, dass f/f0 > √2
tende Resonanzphänomen einschränken,
ist, denn nur dann findet tatsächlich eine –muss sein Verlustfaktor sehr groß sein.
wenn auch nur unvollständige – EntkoppeGetzner Werkstoffe hat mit Sylodamp einenlung der dynamischen Kräfte statt (negativer
für solche Anwen Abb. 2: Übertragungsmaß L in Abhängigkeit vom Verhältnis der Frequenz f derdungen optimierten
dynamischen Kraft und der Eigenfrequenz f0. Der mechanische VerlustfakWe r k s t o f f e n t w i tor  bestimmt den konkreten Verlauf der Kurve.
ckelt. In unserem
Beitrag erläutern wir
20
sowohl die physika15
lischen als auch die
Resonanzmaterialchemischen
10
Zusammenhänge,5
die dem zielgerich√2,00teten Design von-5
Sylodamp zugrunde
hohes η-10
liegen – und wir
niedriges ηbeschreiben Anwen-15
dungen, die unseren-20
Verstärkung
Isolationn e u e n We r k s t o f f-25
bereits nutzen.
-30
Schließlich machen
0
1
2
3
4
5
wir einen Blick in die
Frequenzverhältnis f / f0
Zukunft und diskutie-

PU MAGAZIN · MÄRZ 2021 · JAHRGANG 21

44-51__160920_3_Seidl Nigsch_PUM_01-02_2021_DL_1903.indd 45

Abb. 3: Zusammenhang zwischen einer sinusförmigen,dynamischen Belastung  (z. B. Pressung) undder Verformung ε (z. B. Stauchung) als Antwortsignal bei einem viskoelastischen Werkstoff nach[1a]. t ist der sogenannte Phasenwinkel  diedurch 2 ∙ f gegebene Kreisfrequenz und  diesogenannte Phasenverschiebung.

ren das Potenzial hochdämpfender Polyurethan-Elastomere für Produkte zum Schutz vor
Eisenbahnlärm.

2

Theorie viskoelastischer
Werkstoffe

2.1 Belastung, Verformung und Zeit
Bei elastischen Werkstoffen sind mechanische Verformungen reversibel: Prüfkörper
oder Bauteile aus ideal-elastischem Material
nehmen unmittelbar nach dem Aufheben derBelastung ihre ursprüngliche Geometrie an;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 Belastungs-

45

19.03.21 14:15

dauer 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 – Teil derdurch die äußere Kraft verrichteten Arbeit alspozentielle Energie gespeichert wird.
Im Gegensatz dazu korreliert der idealelastische 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 der jeweils beteiligten Atome
klein ist.
2.2

dabei 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
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):Mechanischer Verlustfaktor und
dynamischer Elastizitätsmodul

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
t zwischen 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 als auch das Verhältnis von Verlust- zu
Speichermodul wiedergibt. Zugleich ist diese
Größe bereits aus der Einleitung bekannt; es
ist der mechanische Verlustfaktor :3

46

44-51__160920_3_Seidl Nigsch_PUM_01-02_2021_DL_1903.indd 46

physikalisch-chemischer Zustände starkausgeprägt ist: die Kurven E'(T) und Edyn(T)weisen eine Stufe auf und die Kurve (T)hat ein Maximum (Abb. 4). Die Eigenschaften des Werkstoffs im energieelastischen
Bereich unterscheiden sich sehr stark vonjenen 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
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 und derElastizitätsmodul 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 sehr klein
ist. Nimmt die Belastung ab, verursacht das
4

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:

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

5

Dabei ist A die Spannungsamplitude und εA
die Verformungsamplitude (Abb. 3).
Sowohl der dynamische Elastizitätsmodul als
auch der Verlustfaktor eines Elastomers hängen von der Temperatur und der Frequenzab, darüber hinaus sind sie aber auch eine
Funktion der Vorlast und der Spannungsamplitude (kraftgeregelte Messung). Die Temperaturabhängigkeit der genannten Größen
steht beim Entwickeln eines Elastomers im
Zentrum, weil sie aufgrund verschiedenerIm 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 periodisch-dynamischen
Belastung kurz ist. Die Verformungskurve desWerkstoffs ist daher gegenüber der Belastungskurve (Abb. 3) nur wenig verschoben– der mechanische Verlustfaktor ist aus
diesem Grund auch in diesem Temperatur-

PU MAGAZIN · MÄRZ 2021 · JAHRGANG 21

19.03.21 14:15

bereich klein. Aufgrund der mikroskopischen
Bewegungen ist der Werkstoff weich und derElastizitätsmodul ist somit klein. Im Gegensatz zum energieelastischen Zustand ist im
entropieelastischen Zustand nicht die Energie,sondern die Entropie jene Größe, die Verformungen reversibel macht: Die Polymerketten
liegen im unbelasteten Zustand nämlich als
Knäuel vor, weil diese gegenüber gestreckten
Ketten aufgrund des größeren Entropieterms
zu einer niedrigeren Gibbs-Energie führen.
Beim Belasten werden die Polymerketten
gestreckt und die Verformungsenergie in
Form verkleinerter Entropie (bzw. vergrößerter Gibbs-Energie) gespeichert.
2.3

Hochdämpfende Elastomere

Für technische Anwendungen – wie für den
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 und somit ist
auch das Übertragungsmaß L im Bereich f/
f0 > √2 klein (Abb. 2).
Eine Ausnahme bilden hochdämpfende – alsoenergieabsorbierende – Elastomere: Diesemüssen bei der Gebrauchstemperatur imÜbergangszustand zwischen energie- undentropieelastischem Zustand vorliegen.
In ihm nehmen Elastomere nämlich einen
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 und Seitenketten erinnert aber an deren Bewegungenin einer Polymerschmelze (die bei Thermoplasten durch weiteres Erwärmen tatsächlichzugänglich ist).
Im entropieelastischen Zustand relaxieren die
Polymerketten relativ zur Frequenz der periodisch-dynamischen Belastung schnell, im

PU MAGAZIN · MÄRZ 2021 · JAHRGANG 21

44-51__160920_3_Seidl Nigsch_PUM_01-02_2021_DL_1903.indd 47

energieelastischen Zustand  Abb. 4: Speichermodul E‘, Verlustmodul E‘‘ und mechanischer Verlustfaktor  eines Elastomers bei periodischer Belastung (mithingegen sehr langsam. Ihre
konstanter Frequenz f) als Funktion der Temperatur nach [1c].
mikroskopischen BewegunDer stufenförmige Abschnitt des Speichermoduls bzw. der Peakdes Verlustmoduls definieren den Glasübergangsbereich. Auf
gen sind daher in beiden Fälseiner Tieftemperaturseite liegt der energieelastische Bereich,len von der makroskopischen
auf seiner Hochtemperaturseite der entropieelastische Bereich.
Die Glasübergangstemperatur Tg beschreibt die Lage desVerformung entkoppelt. DarGlasübergangsbereichs; hier ist sie definiert als Wendepunkt in
aus folgt, dass im Übergangsder E‘-Kurve.
bereich zwischen den beiden
Zuständen die Bewegungender Kettensegmente (und dergegebenenfalls vorhandenen
Seitenketten) von der äußeren
Verformung gerade nicht entkoppelt sind. Die Frequenz f
determiniert daher die Lagedes Übergangsbereichs,
und die Koppelung selbst
bestimmt die Eigenschaftendes Elastomers im entsprechenden Temperaturfenster.
Analog zu schwingungsfähigen mechanischen Systemen (Abb. 1)
noch bewegen, allerdings wird ein Teil der
bewegen sich die Polymerketten mehr odermakroskopischen Verformungsarbeit durch
weniger im Takt der periodischen Belastung.
mikroskopische Reibungseffekte in Wärme
umgewandelt. Der entsprechende EnergieanIm Extremfall kommt es – wiederum
teil geht verloren und steht somit nicht mehr
wie bei makroskopischen Systemen
zur Wiederherstellung der ursprünglichen(Abb. 2) – zur Resonanz. Im AllgemeiGeometrie des Prüfkörpers zur Verfügung,nen tritt dieser Fall ein, wenn die Frewas die Verformung gegenüber der Belasquenz f und der Kehrwert der Relaxatitung verzögert (Abb. 3).
onszeit 1/(T) gleich groß sind. Je näher
Der Peak der Kurven E‘‘(T) und (T) ist bei
f ∙ (T) bei 1 liegt, umso größer ist die Koppelung und umso größer ist auch der VerlustmoKunststoffen sehr breit, weil Polymere durch
dul E‘‘(T). Den Glasübergangsbereich zeichein breites Spektrum an Relaxationszeiten
net daher ein Peak in der Kurve E‘‘(T) aus
charakterisiert sind: Jeder Unterschied im(Abb. 4). Aufgrund der Relation  (T) =chemischen Aufbau einzelner Kettensegmente, in der Länge von Seitenketten etc.
E‘‘(T)/E‘(T) weist auch der mechanischesowie jeder Unterschied in der räumlichen
Verlustfaktor einen Peak auf. Während bei
Umgebung eines Segments führt zu einer
mechanischen Systemen Resonanz zu einer
je eigenen Relaxationszeit. Die Lage desVerstärkung der Schwingungsamplitude führt
Glasübergangsbereichs gibt die Glasüber(Abb. 2), wirkt sie sich im Inneren von Elasgangstemperatur Tg an, wobei sie verschietomeren dämpfend aus (Abb. 4).
den definiert werden kann – z. B. als jene
Eine Erklärung für den großen Verlustmodul
Temperatur, bei der die Krümmung der Kurve
im Übergangsbereich liefert die sogenannteE‘(T) ihr Vorzeichen wechselt (Wendepunkt,
Freies-Volumen-Theorie der Glasbildung [1e,Abb. 4).
2, 3]: Das Volumen eines Prüfkörpers nimmt
beim Abkühlen ab, wodurch auch das freie
2.4 Design viskoelastischer
Volumen zwischen den Polymerketten kleiner
Polyurethane mit ausgeprägter
wird. Zugleich nehmen die WechselwirkungenDämpfung
zwischen den Ketten zu, weil die interatomaren Abstände kleiner werden. Die KettensegElastomerprodukte haben bei der Gebrauchsmente und Seitenketten können sich zwar
temperatur üblicherweise einen mechani-

47

19.03.21 14:15

schen Verlustfaktor  von 0,1 bis 0,2; siesind daher mäßig dämpfend. Vereinzelt sindauch Elastomere mit  < 0,1 am Markt,z. B. Sylodyn von Getzner Werkstoffe. Bei
diesen Werkstoffen ist die Dämpfung sehrklein, dementsprechend verwendet mansie überall 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 Übertragungsmaß 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 h und indierkt über die Korrelationskette E‘‘-Edyn-f0.

die Drehbarkeit um die C-C-  Abb. 5: Das Sylodamp-Sortiment aus sechs verschieden steifen Werkstofftypen
Bindungen und die Beweglichkeit von Kettenabschnitten zueinander behindert
sind. Aus diesem Grundverschieben 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 Abb. 6: Mechanischer Verlustfaktor der sechs Sylodamp-Typen in Abhängig–70 °C (Polyisobutylen)
keit von der Temperatur (dynamisch-mechanische Analyse bei einer
statischen Last unterhalb der Obergrenze des statischen Einsatzbis 145 °C (Polycarbonat)
bereichs, sinusförmige Anregung mit einem Geschwindigkeitspegel[1g].
von 100 dB bei einem Referenzwert von 5 ∙ 10-8 m/s und einer
Frequenz von 10 Hz, Formfaktor 3).

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 Glasübergangsbereich liegen. Aus diesem Grund ist die Lagedes Glasübergangs eine Zielgröße. Sie hängt
von vier 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 T g.
Darüber hinaus ist Tg umso höher, je mehrZu (c): Die Gebrauchstemperatur – also jene
Temperatur, bei der Werkstoffe ihre Funktion
erfüllen müssen – ist tatsächlich ein endlich
breiter Bereich. Dämpfende Produkte müssen daher bei praktisch allen Anwendungen(verbaut in Geräten, im Inneren von Gebäuden
oder im Freien) die geforderte Energieabsorption in einem bestimmten Temperaturfenster
aufweisen. Da die Gebrauchstemperatur im
Bereich des Peaks des mechanischen Verlustfaktors (T) liegen muss (siehe Punkt (a)),
soll der Peak möglichst breit sein. Dann hängen nämlich (T) und die Energieabsorption
nicht zu stark von der Temperatur ab und die
Dämpfung ist über den ganzen Einsatzbe-

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:48

44-51__160920_3_Seidl Nigsch_PUM_01-02_2021_DL_1903.indd 48

SP 10
SP 30
SP 100SP 300SP 500
SP 1000

Mechanischer Verlus;aktor(a) Ausmaß der Dämpfung(b) Mechanische Langzeitstabilität(c) Breite des Glasübergangsbereichs

Zu (b): Rohstoffe mit
0,8
d ä m pfen d wi rk en den
0,7Strukturmerkmalen erhöhen neben dem viskoelas0,6
tischen häufig auch den
0,5viskosen Verformungsan0,4
teil des Werkstoffs. Dieser
0,3
wirkt sich nachteilig auf
0,2
das bei vielen technischen
0,1Anwendungen erforder0,0liche Dauerstand- bzw.
-10
Dauerschwellverhaltenaus, denn die viskose Verformung ist irreversibel,
was das Rückstellvermögen reduziert. Die
Rezeptur muss somit das rechte Maß zwischen den einander widerstrebenden Materialeigenschaften Dämpfung und mechanische
Langzeitstabilität treffen.

0

10

20

30

40

50

Temperatur
Temperaturin/ °C°Creich ausreichend hoch. Der Glasübergangspeak ist umso breiter, je größer das Spektrum an Relaxationszeiten ist. Der Werkstoff
muss daher strukturell heterogen sein, unddie individuellen, lokalen Strukturen müssen
in ungefähr gleichem Ausmaß vorliegen.
Die vielfältigen Zielvorgaben in Bezug auf die
Eigenschaften eines neuen Elastomers mit
großer Dämpfung und ihre chemisch-physikalischen Korrelationen machen deutlich, dassErfahrungswissen 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, hat

PU MAGAZIN · MÄRZ 2021 · JAHRGANG 21

19.03.21 14:15

3.1



Eigenschaften

Sylodamp gibt es in sechs farblichgekennzeichneten Typen unterschiedlicher Steifigkeit (Abb. 5),
wodurch für verschiedene statische Belastungen im Bereich
0,005 N/mm² bis 0,5 N/mm² eineeffiziente Auslegung möglich ist. Je
nach Typ verträgt Sylodamp Lastspitzen, die relativ zur Obergrenze
des statischen Einsatzbereichs
zehn- bis fünfzigmal so groß sind.
Der Druckverformungsrest beträgt
weniger als 5 % (Lagerung: 25 %Stauchung, 23 °C, 72 h; Prüfung
30 min nach dem Entlasten).

Abb. 7: 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/mmGetzner Werkstoffe einen hochdämpfenden Werkstoff aus Polyurethan
entwickelt. Der Werkstoff Sylodamp
ist explizit nicht das Ergebnis derMaximierung einer einzelnen Eigenschaft (zum Beispiel der Dämpfung),
sondern das Ergebnis eines Optimierungsprozesses, der sämtliche Forderungen an ein dämpfendes Elastomer (siehe oben) berücksichtigt.

&%%%&%
(%
&%%
(%%
*%%
&%%%

&%%

&%

&

%&

!&%

%

&%

'%

(%

)%

*%

    $
Temperatur in °C

Abb. 8: Lagerungen eines Kompressors auf parallel geschalteten Zylindern
aus Sylodamp und Stahlfedernßen bewirkt es die Isolation von Körperschall sowie schnelleres Abklingen von Schwingungen. Außerdem
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 luftschalltechnische
Messungen vor Ort helfen, die spezifische Anwendung zu optimieren unddie Werkstoffe ideal auszulegen.

4 Ausblick: Schwingungsdämpfer gegen
Eisenbahnlärm

Das Eigenschaftsprofil von SyloBei klassischen Elastomeren befindamp hält die Balance zwischen
det sich praktisch der gesamte
den einander entgegengesetzten
Glasübergangsbereich unterhalb derWerkstoffeigenschaften Dämpfung
Raumtemperatur. Dementsprechend
und mechanische Langzeitstabiist der mechanische Verlustfaktor
lität. Dadurch bewirkt Sylodamp
bei Raumtemperatur mit 0,1 bis 0,2
Produktverbesserungen in vielen
klein. Im Gegensatz dazu beträgt er
Anwendungsbereichen ohne extreme
bei den Typen der Sylodamp-Reihe
Spezifikation.
 ≥ 0,45, weil bei ihnen das Maxi-  Abb. 9: Protektor aus Sylodamp zum Schutz des Körpers bei stoßartigen
BelastungenIst jedoch – wie z. B. im Eisenbahnmum der Kurve  (T) in der Nähewesen – das geforderte Dauerder Raumtemperatur und somit imschwellverhalten besonders groß,Bereich der Gebrauchstemperamuss der mit Sylodamp verwirklichte
tur liegt (Abb. 6). Zugleich ist die
Rezepturansatz modifiziert werden.
Breite des  (T)-Peaks und somit
Der Faktor Langzeitstabilität erhält
der Glasübergangsbereich so groß,dann im Optimierungsprozess ein
dass die Dämpfungseigenschaften
größeres Gewicht und es werden
des Werkstoffs im Einsatzbereich
Rohstoffe eingesetzt, die den Zielnicht zu stark von der Temperatur
Eigenschaften des gewünschten
abhängen. Die Rückprallelastizität
Produkts entsprechen. Bahnspezifische Pro3.2 Anwendungenvon 13 % bis 16 % und die für das jeweils
dukte aus Polyurethan-Werkstoffen mit hoher
vorliegende Raumgewicht verhältnismäßig
Dämpfung haben großes Potenzial, weil sie
Sylodamp mindert das Ausmaß von Resogroße dynamische Steifigkeit (Abb. 7) spiedie Lebensdauer des Eisenbahnoberbaus
geln das ausgeprägte Dämpfungsverhalten
nanzphänomenen bei Anwendungen mit
verlängern [4] und außerdem den Eisenvon Sylodamp wider.
periodischen Belastungen (Abb. 8). Bei Stö-

PU MAGAZIN · MÄRZ 2021 · JAHRGANG 21

44-51__160920_3_Seidl Nigsch_PUM_01-02_2021_DL_1903.indd 49

49

19.03.21 14:15

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

bahnlärm reduzieren können. Dieser nimmt
aufgrund zunehmender Auslastung vonBahnstrecken stetig zu – und damit auch die
Lärmbelastung von uns Menschen.

(Abb. 11) das Potenzial, die Schwingungsamplituden und dadurch den Pegel des emittierten Schalls zu verkleinern.

zugleich ist das für die Bewegung zur Verfügung stehende freie Volumen klein. Beides
führt zu mikroskopischer Reibung – Energie
wird dissipiert.

Im Eisenbahnoberbau emittieren schwingende Schienen und Schwellen Schall(Abb. 10). Hochdämpfende Zwischenlagen könnten diesen verringern und sozum Lärmschutz beitragen. Üblicherweise
dienen Zwischenlagen als federnde Elemente zwischen Schiene und Schwelle.
Sie bewirken, dass die Last des Zuges auf
mehr Schwellen verteilt wird und dadurch
der Oberbau geschont und seltener gewartet werden muss. Gängige Zwischenlagenaus elastischen Werkstoffen mit kleinem
mechanischem Verlustfaktor erfüllen dieseFunktion sehr gut, mindern aber kaum das
Schwingen der Schienen und Schwellen
und die damit verbundene Lärmemission.
Im Gegensatz dazu haben viskoelastische, hochdämpfende Zwischenlagen

5

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



Zusammenfassung

Hochdämpfende Elastomere sind viskoelastische Werkstoffe. Aufgrund ausgeprägter Reibung zwischen Kettenabschnitten des Polymergerüsts absorbieren sie 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 fürsolche Anwendungen entwickelt. Diese ist
bei Raumtemperatur stark dämpfend: Der
mechanische Verlustfaktor beträgt bei allensechs Sylodamp-Typen ≥ 0,45.

Um einen so hohen Verlustfaktor zu erreichen, muss der viskoelastische Verformungsanteil
Abb. 11: Muster einer hochdämpfenden Zwischenlage aus viskoelastisehr groß sein. Deshalb
schem Polyurethan
ist Sylodamp aus chemischen Struktureinheiten
aufgebaut, die dazu führen, dass der Werkstoff
bei Raum- bzw. Gebrauchstemperatur im Glasübergangsbereich vorliegt. In
diesem bewegen sich die
Polymerketten nämlich
ungefähr im Takt mit derperiodischen Belastung,50

44-51__160920_3_Seidl Nigsch_PUM_01-02_2021_DL_1903.indd 50

Darüber hinaus haben hochdämpfende
Polyurethan-Elastomere großes Pozential
zum 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-Hanser-Verlag, München, 2011, a)
S. 181, b) S. 36, c) S. 183, d) S. 34,

PU MAGAZIN · MÄRZ 2021 · JAHRGANG 21

19.03.21 14:15

e) S. 82f u. 192–195, f) S. 199–201,g) S. 203.
[2] M. H. Cohen, D. Turnbull, „Moleculartransport in liquids and glasses“, J.
Chem. Phys. 31 (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 limitsof ballasted heavy-haul railway track bymeans of high-strength under-sleeper
pads made of a specially developed
PUR“, Rail Engineering International Edition 2015, Number 4 (2015), 3.

Klimaneutrales Unternehmen
Die Firma ebalta Kunststoff GmbH arbeitet schon lange daran, einen Beitrag gegen den
Klimawandel zu leisten. Mit der Zertifizierung der Klimaneutralität ab Januar 2021 wurde
ein entscheidender Schritt gemacht.

Wenn die Pandemie überwunden ist, wartet
weltweit eine noch größere Herausforderung – der Klimawandel. Die Firma ebalta
Kunststoff GmbH hat sich deshalb zum
Ziel gesetzt, auf lange Sicht klimaneutral
zu arbeiten, also die eigenen CO2-Emissionen so weit wie möglich zu verringern undrestliche Emission auszugleichen. Um den
bisherigen CO2-Ausstoß der Firma sichtbar
zu machen, wurde nach Standardrichtlinien
eine Klimabilanz erstellt. Dieser Wert wurdedann um eingesparte Emissionen reduziert,
wie die Nutzung der eigenen Photovoltaikanlage oder die Verwertung der Schnittrestezu Briketts. Die Firma ebalta will ihre CO2Reduktionen stetig ausbauen. So wird in diesem Jahr der komplette Betrieb mit 100 %Ökostrom versorgt.

von recycelten und von nachwachsenden
Rohstoffen kontinuierlich erhöht und standardisiert. Gleichzeitig wird ein marktorientiertes
Preisleistungsverhältnis angestrebt.

Durch Klimaschutzprojekte
zur Klimaneutralität
Die in der Klimabilanz verbliebenen direkten
und indirekten Emissionen zur Energieerzeugung wurden von ebalta durch Investitionen[5] D. J. Thompson, C. J. C. Jones,„ A re v i e w o f t h e m o d e l l i n g o fwheel/rail noise generation”,
J. Sound Vib. 231 (2000), 519.

in Klimaschutzprojekte ausgeglichen bzw.
kompensiert. Die Kompensation erfolgte
durch die Unterstützung des zertifizierten
Klimaschutzprojekts Hydroelectric Project in
Kinnaur, Indien. Bei diesem Klimaschutzprojekt wird saubere Energie aus Wasserkraft
gewonnen und dadurch Emissionen aus
fossilen Brennstoffen vermieden. Neben derKompensation unterstützt ebalta auch das
Project Togo, ein Naturwaldaufforstungsprojekt, in dem selbsttragende Wertschöpfungsketten aufgebaut werden. Die Spende von
ebalta wird für den Kauf einer Ölmühle fürdie Frauenkooperative in Kotokopé, Togo,verwendet. Das Wiesbadener Unternehmen
natureOffice GmbH, Mitglied der Allianz für
Klima und Entwicklung, unterstützte ebalta
bei der Durchführung der Kompensation undder Zertifizierung der Klimaneutralität.
www.ebalta.de

Ebalta erhielt im Januar 2021 die Zertifizierung der Klimaneutralität durch natureOffice.

PU MAGAZIN · MÄRZ 2021 · JAHRGANG 21

44-51__160920_3_Seidl Nigsch_PUM_01-02_2021_DL_1903.indd 51

Quelle: ebalta

Ebalta hat sich als Ziel gesetzt, den ökologischen Fußabdruck so niedrig wie möglich
zu halten und den restlichen CO2- Ausstoß
auszugleichen. Dafür stellt das Unternehmen
jährlich eine Umweltstrategie auf, in der zu
optimierende Fertigungsverfahren sowie zu
reduzierende Emissionen und Abfälle festgehalten werden. Ein wesentlicher Bestandteil
der Umweltstrategie ist die Optimierung der
Produktpalette hinsichtlich ihrer Zusammensetzung. So sollen Produkte Teil eines Wertstoffkreislaufs werden. Dabei wird der Anteil

51

19.03.21 14:15