Grundwissen mit dem Know-how Technische Elastomerwerkstoffe-d-,com/products/material... · 9 Elastomere und ihre Eigenschaften Die ASTM-Norm D 1566 (ASTM; American Society for Testing

BT DIE BIBLIOTHEK DER TECHNIK 293

VERLAGMODERNEINDUSTRIE

TechnischeElastomerwerkstoffe

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Basis für Hightech-Lösungen in der Dichtungs-und Schwingungstechnik

DIE BIBLIOTHEK DER TECHNIK

Grundwissen mit dem Know-howführender Unternehmen

Freudenberg Sealing Technologies

293

Die Bibliothek der TechnikBand 293

Technische Elastomerwerkstoffe

Basis für Hightech-Lösungen in der Dichtungs- und Schwingungstechnik

Meike Rinnbauer

verlag moderne industrie

Dieses Buch wurde mit fachlicher Unterstützung der Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG erarbeitet.

© 2006 Alle Rechte beisv corporate media, D-80992 Münchenhttp://www.sv-corporate-media.deAbbildungen: Freudenberg Sealing TechnologiesGmbH & Co. KG, WeinheimSatz: abavo GmbH, D-86807 BuchloeDruck und Bindung: Sellier Druck GmbH, D-85354 Freising

InhaltElastomerentwicklung 4Vom Naturprodukt zum Hightech-Werkstoff .......................................... 4Grundlagen .............................................................................................. 5

Elastomere und ihre Eigenschaften 9Viskoelastisches Verhalten von Elastomeren .......................................... 9Korrelation von Frequenz und Temperatur ............................................. 12Systematik der Elastomere ...................................................................... 13

Einflussfaktoren auf das Werkstoffverhalten 16Mischungsbestandteile ............................................................................ 16Einfluss der Vernetzungsdichte ............................................................... 19Physikalisches und chemisches Einwirken ............................................. 23

Verarbeitungsverfahren 30Mischtechnologie .................................................................................... 30Formgebungsverfahren............................................................................ 37Prozessoptimierung in der Elastomerverarbeitung.................................. 43

Prüfung von Elastomeren 46Prüfung entlang der Prozesskette ............................................................ 46Vorhersage der Lebensdauer ................................................................... 48Bauteilsimulation mittels FEM ............................................................... 49

Hightech-Produkte aus technischen Elastomerwerkstoffen 52

Ausblick 63

Fachbegriffe 66

Literatur 67

Anhang 68

Der Partner dieses Buches 71

Grundlagen 5

teile hat dazu geführt, dass für eine zielgerich-tete Elastomerentwicklung Expertenwissen mithohem Erfahrungsschatz notwendig ist.

GrundlagenUnter Polymeren versteht man sehr große Mole-küle, die durch Aneinanderbindung von sehrvielen kleinen Grundeinheiten (Monomere) ent-stehen. Die Verknüpfung der Monomere erfolgtüber funktionelle, reaktionsfähige Gruppen, wo-durch Verbindungen mit ganz anderen Eigen-schaften als die der Ausgangsstoffe entstehen. Der Molekülaufbau der Polymere kann linear,verzweigt oder vernetzt vorliegen. Je nachOrientierung der Molekülketten wird bei Poly-meren zwischen einem amorphen und einemteilkristallinen Zustand unterschieden. Der Poly-merisationsgrad, d. h. die Anzahl der Monomerein einer Polymerkette, hat einen wesentlichenEinfluss auf die mechanischen Eigenschaftender Polymere. Mit zunehmender Kristallinitätbzw. Dichte steigen der Schmelzbereich, die

4

ElastomerentwicklungVom Naturprodukt zum Hightech-WerkstoffElastomere Werkstoffe sind in Form von Na-turkautschuk schon seit Jahrhunderten be-kannt. Bereits mittel- und südamerikanischeIndianer verwendeten diesen Werkstoff fürAbdichtungen und als Spielbälle. Die Bezeich-nung »Kautschuk« stammt aus dem Indiani-schen (cao = Baum und ochu = Träne) und istein Sammelbegriff für alle unvernetzten, elas-tischen Polymere. Die zufällige Entdeckungder Vulkanisation durch Goodyear (1839) er-laubte die Herstellung von vernetzten, hoch-elastischen Werkstoffen (Elastomere) und er-möglichte, dass dieses Material für zahlreichetechnische Anwendungen genutzt werdenkonnte. Heute sind Elastomere für Dichtungenoder schwingungstechnische Anwendungenunverzichtbar. Ohne Elastomere würde keinAuto fahren, kein Flugzeug starten, wärenHydraulik und Pneumatik undenkbar.Viele Elastomerbauteile sind heute Hightech-Produkte, die höchste Anforderungen an Tem-peratur, Medienbeständigkeit und Verschleißerfüllen. Ein Radialwellendichtring (Simmer-ring®) ist ein Beispiel für ein hochentwickeltesElastomerteil. Er funktioniert wie eine mikro-skopisch kleine Pumpe, die in der Lage ist,Schmierstoffe oder Gase unter der Dichtkantehindurch und wieder zurück in den Ölraum zutransportieren und somit für eine ausreichendeSchmierung zwischen Welle und Dichtring zusorgen (Abb. 1). Neben der reinen Dichtfunk-tion können Dichtungen durch Kombinationmit moderner Sensortechnik vielfältige Zusatz-funktionen übernehmen. Die zunehmendeMultifunktionalität moderner Elastomerbau-

Abb. 1:Funktionsprinzipeines Simmerrings(Querschnitt) mitzusätzlicher Schutz-lippe zur weiterenAbdichtung gegenSchmutz und Staub

Wellenoberfläche

Schmierstoff

DichtkanteFettfüllungSchutzlippe

Jahrhunderte -alter Werkstoff

Entdeckung derVulkanisation

Hightech -Produkte

Zusatz -funk tionen

Polymerisations-grad

Grundlagen 7

Polymerwerkstoffe werden nach ihrem Struk-turaufbau, ihrem deformationsmechanischenVerhalten und dementsprechend nach ihren Ei-genschaften und Anwendungsbereichen inmehrere Gruppen eingeteilt (Abb. 3). Thermo-plaste sind aus langen linearen oder schwachverzweigten Polymeren aufgebaut, die nichtvernetzt sind. Bei Raumtemperatur sind dieseStoffe hart-spröde bis zäh-elastisch. Es gibtamorphe und teilkristalline Strukturen. DiePolymerketten liegen bei amorphen Thermo-plasten sowohl in der Schmelze als auch imfesten Zustand in regelloser Anordnung vor.Teilkristalline Thermoplaste sind in derSchmelze amorph, weisen aber im festen Zu-stand Bereiche auf, in denen die Polymerket-ten parallel zueinander ausgerichtet sind. DasAusmaß der Kristallinität hat erheblichen Ein-fluss auf die mechanischen Eigenschaften des

6 Elastomerentwicklung

Zugfestigkeit, die Steifigkeit (E-Modul), dieHärte, die Beständigkeit gegen Lösemittel sowiedie Undurchlässigkeit für Gase und Dämpfe. Hochmolekulare Polymere wie Elastomere zei-gen bei mechanischer Beanspruchung ein imVergleich zu den meisten anderen Werkstoffenbesonders stark ausgeprägtes visko elastischesVerhalten. Die auftretenden Deformationensind je nach Beanspruchung teils elastischer,teils viskoser Natur. Den Schlüssel zum Ver-ständnis der mechanischen Eigenschaften beiverschiedenen Temperaturen bildet die Kennt-nis der Vorgänge im Übergangsbereich zwi-schen den definierten Zuständen, der unter an-derem durch die so genannte Glasübergangs-temperatur Tg gekennzeichnet ist. Der Glas-übergang ist eine für jedes Polymer charakte-ristische Größe. Unterhalb der Glastemperatursind die Eigenbewegungen der Moleküle, auchbrownsche Molekularbewegung genannt, ein-gefroren. Der Werkstoff befindet sich in einemharten, glasartigen Zustand. Beim Überschrei-ten des Glasübergangs werden die Molekülewieder beweglicher und das Polymer geht inden weichen, gummielastischen Zustand über(Abb. 2). Bei weiterer Temperaturerhöhungüberwiegt das viskose Fließen, bis schließlichdie Zersetzung des Polymers eintritt.

Temperatur

»GummielastischesPlateau«

E-M

odul

ViskosesFließen

ElastischesVerhalten

Glas-zustand

Glas-übergangs-temperatur

Tg

Abb. 2:Änderung des E-Moduls des Poly-mers in Abhängigkeitvon der Temperatur

Abb. 3:Schematischer Auf-bau der Polymereund E-Modul-Temperatur-Kurven

E-M

odul

E-M

odul

E-M

odul

E-M

odul

Thermoplast ThermoplastischesElastomer

Elastomer Duromer

Temperatur Temperatur Temperatur Temperatur= Einsatzbereich

ViskoelastischesVerhalten

Glasübergangs -temperatur

Thermoplaste

9

Elastomere und ihreEigenschaftenDie ASTM-Norm D 1566 (ASTM; AmericanSociety for Testing and Materials) definiertElastomere als hochpolymere, organischeNetzwerke, die in der Lage sind, große Ver -formungen reversibel aufzunehmen. Diese Eigenschaft in Verbindung mit der Möglich-keit, mechanische Energie zu absorbieren,führt dazu, dass aus Elastomeren Produktehergestellt werden, die Toleranzen überbrü-cken, Bewegungen zwischen verschiedenenBauteilen erlauben, ruhende und bewegte Ab-dichtungen ermöglichen, Schwingungen ab-bauen und dämpfen sowie Federfunktionenübernehmen.

Viskoelastisches Verhalten vonElastomerenIm Gegensatz zu den energieelastischen Fest-körpern wie beispielsweise Metallen oderLegierungen sind Elastomere entropieelas-tisch. Triebkraft dieser Elastizität ist die Entro-pie, d. h. das Maß der Unordnung, die im ver-knäulten, ungeordneten Zustand der Polymer-ketten größer ist als in einer ausgerichteten,gedehnten Anordnung. Bei der Entropieelasti-

8 Elastomerentwicklung

Werkstoffs. Infolge von Temperaturerhöhungund starker Scherung werden Thermoplasteplastifiziert und sind somit umformbar.Elastomere entstehen durch weitmaschige Ver-netzung von amorphen, oft hochverzweigtenPolymeren (z. B. Naturkautschuk). Diese lo-ckere Fixierung von Polymerketten durch che-mische Bindungen führt zum für diesen Poly-merwerkstoff typischen hochelastischen Verhal-ten oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg(so genanntes »gummielastisches Plateau«). Die Formgebung von Elastomeren ist im Gegensatz zu den Thermoplasten mit einerchemischen Reaktion (Vernetzung) gekoppelt.Bei höheren Vernetzungsgraden wird Tg hinzu immer höheren Temperaturen verschoben,bis schließlich nahezu alle molekularen Bewe-gungen durch die starre Fixierung der Poly-merketten unterbunden werden (wie z.B. beimHartgummi). Somit sind bei äußerer Belastungnur noch geringfügige Verschiebungen mög-lich. Engmaschige (dreidimensionale) Vernet-zung oder besser »Härtung« führt zu Duro -meren, die wie Elastomere bei Überschreitender Zersetzungstemperatur irreversibel zerstörtwerden. Beispiele für Duromere sind Epoxid-harze oder Phenolformaldehyde. Thermoplastische Elastomere (TPE) stelleneine Zwitterklasse dar. Oberhalb von Tg biszum Schmelzpunkt bzw. bis zur Erweichungs-temperatur verhalten sie sich wie Elastomere,sind aber bei höheren Temperaturen (>100 °C)thermoplastisch verarbeitbar. Bei vielen TPEsentsteht beim Abkühlen durch physikalischeVernetzung über (teil-)kristalline Bereicheeine thermoreversible Struktur mit elastischenEigenschaften. Dies hat zur Folge, dass – wiees bei Thermoplasten der Fall ist – ein gering-fügiges Überschreiten der Erweichungstempe-ratur zu einem irreversiblen Verlust der Bau-teilgeometrie in der Anwendung führen kann.

Abb. 4:Modell der Entropieelastizität

Kraft

Elastomere

Duromere

TPE

Hochpolymereorganische Netzwerke

Entropie -elastizität

Viskoelastisches Verhalten von Elastomeren 11

während bei hohen Temperaturen und niedri-gen Verformungsgeschwindigkeiten viskosesVerhalten auftritt. Letzteres führt zu Kriechen,Spannungsrelaxation oder kaltem Fluss. Dasviskose Fließen kann durch eine Fixierung derKetten untereinander (Vernetzung) stark unter-drückt werden. Die weitmaschige Vernetzungbedingt also im Endeffekt das typische gum-mielastische Verhalten. Die Viskoelastizitätder Elastomere hat eine ausgeprägte Zeit- undTemperaturabhängigkeit sehr vieler physikali-scher, besonders mechanischer Eigenschaftenzur Folge. So liegt bei Stahl ein linearer Zu-sammenhang zwischen Spannung und Deh-nung vor, während beim Elastomer eine nicht-lineare Beziehung zwischen Spannung undDehnung existiert, die sich unter anderem ineiner Abhängigkeit von der Verformungsge-schwindigkeit zeigt (Abb. 6). Als Konsequenz aus dieser Abhängigkeit rea-gieren Elastomere sehr empfindlich auf Ände-rungen der Prüfbedingungen. Daher kommt esin der Praxis häufig zu Problemen bei der Kor-relation von einfachen physikalischen Prüf -ergebnissen mit den tatsächlichen vorherrschen-den Beanspruchungen eines Elastomerbauteilsim Einbauraum (Lastkollektiv). Umso wichti-

10 Elastomere und ihre Eigenschaften

zität werden keine Atomabstände verändert,sondern einzelne Kettensegmente gegenein -ander verschoben. Kommt es nun zu einerSpannungsbelastung im Elastomer, werden diegeknäuelten Ketten in den geordneten und da -mit unwahrscheinlicheren Zustand überführt(Entropieabnahme). Bei Entlastung wird deralte, energetisch günstigere Knäuelzustandwieder eingenommen (Entropiezunahme). DieÄnderung von Entropie ist die treibende Kraftfür die Rückstellfähigkeit von Elastomeren imgummielastischen Bereich oberhalb der Glas-übergangstemperatur Tg (Abb. 4).Viskoelastisches Verhalten bei Elastomerenbedeutet, dass sowohl das elastische Verhaltenvon Festkörpern (reversibel) als auch das vis-kose Verhalten von Flüssigkeiten (irreversibel)zu beobachten ist. Je nach Art der Beanspru-chung ist die eine oder die andere Eigenschaftstärker ausgeprägt (Abb. 5). Bei tiefen Tempe-raturen und hohen Verformungsgeschwindig-keiten dominiert das Festkörperverhalten,

Abb. 5:Feder-Dämpfer-Modell zur Beschrei-bung der Elastizität

Beruht auf reversiblen Änderungender Schwingungs- und Rotations-zustände von Atomen.

Beruht auf (weitgehend) reversiblerVerschiebung von Molekülsegmentenunter Beibehaltung des Molekül-schwerpunkts (mikrobrownscheBewegung).

Beruht auf irreversibler Verschiebungganzer Moleküle gegeneinander(makrobrownsche Bewegung).

Feder

Feder Dämpfer

Dämpfer

Zustand

Energie-elastizität

Entropie-elastizität

ViskosesFließen

Ursache Wirkungsmodell

Abb. 6:Spannungs-Deh-nungs-Diagramm Links: Vergleich vonStahl, Thermoplast,Elastomer Rechts: Verhaltenvon Elastomeren beiunterschiedlichenVerformungs -geschwindigkeiten

Span

nung

Span

nung

Dehnung Dehnung

StahlThermoplast

Hohe Verformungs-geschwindigkeit

Niedrige Verformungs-geschwindigkeit

Pseudo-statischesVerhalten

Elastomer

Entropieab- …

…-zunahme

Systematik der Elastomere 13

zeitige Verhärtung des Materials (Anstieg desdynamischen Moduls).Dieser Einfluss der Relaxation in Abhängig-keit von Temperatur und Frequenz muss daherbei der Bauteilauslegung, insbesondere bei dy-namischen Dichtungen, berücksichtigt werden.

Systematik der ElastomereFür Elastomere hat sich eine Systematik unddie Verwendung von Abkürzungen bewährt,die nach ASTM D 1418 definiert worden ist.


ger ist eine exakte Erstellung von Spezifika -tionen eines Elastomerbauteils, damit die wich -tigsten Eigenschaften des Produkts auch durchPrüfungen abgebildet werden können.

Korrelation von Frequenz undTemperatur In der Praxis beobachtet man sowohl bei tiefenTemperaturen als auch bei hohen Frequenzeneinen Sprung in den mechanischen Eigen-schaften des Elastomers. Die Ursache liegt imviskoelastischen Verhalten von Elastomeren.Es besteht bei einer zeitlich wechselnden Be-lastung durch Druck oder Zug eine Korrela-tion zwischen der Frequenz der Belastung unddem Temperaturverhalten. Durch den viskosenAnteil im Elastomer werden bei Deformationdie auftretenden Spannungen teilweise durchKettenverschiebungen abgebaut (mikrobrown-sche Bewegung). Die dazu benötigte Zeit be-zeichnet man als Relaxation. Mit sinkenderTemperatur frieren die Kettenbewegungen desPolymers langsam ein und der Spannungsab-bau benötigt immer mehr Zeit. Das Elastomerverhärtet und wird glasartig. Bei einer hohenBelastungsfrequenz reicht die Kettenbeweg-lichkeit nicht mehr aus, um der vorliegendenVerformung zu folgen. Das Material wirkt»eingefroren«. Diesen Effekt bezeichnet manauch als dynamische Verhärtung. Somit wirktsich eine Frequenzerhöhung genauso aus wieeine Temperaturerniedrigung (Abb. 7). Dementsprechend ist die Glasübergangstem-peratur Tg nicht nur von der Bestimmungsme-thode, sondern auch von der Prüffrequenz ab-hängig und steigt pro Frequenzdekade um ca.7 Kelvin. Dieser Effekt ist als Zeit-Tempera-tur-Korrespondenzprinzip bekannt. Als Konse-quenz dieses Prinzips bewirkt eine Frequenz-erhöhung bei tiefen Temperaturen eine früh-

Abb. 7:Zeit-Temperatur-Korrespondenz -prinzip: Abhängig-keit des dynamischenModuls von der Frequenz (links) und der Temperatur(rechts)

Frequenz [lgHz]

Dyna

misc

her M

odul

[MPa

] T = –10 °CT = 0 °CT = 10 °CT = 20 °C

f = 1 Hzf = 10 Hzf = 100 Hzf = 1000 Hz

500

400

300

200

100

0–2

Temperatur [°C]

Dyna

misc

her M

odul

[MPa

] 500

400

300

200

100

0–50 –25 0 25 500 2 4 6 8 10

Letzter Buchstabe Bedeutung Beispielder Kurzbezeichnung

M Kautschuke mit gesättigter EPDM, ACM, EVM, Kohlenstoffkette, ohne FKM, FFKMDoppelbindungen

R Kautschuke mit Doppelbindungen NR, CR, SR, SBR,in der Kohlenstoffkette IIR, NBR, HNBR(ungesättigt)

O Kautschuke mit Sauerstoff CO, ECOin der Polymerkette

Q Kautschuke mit Silizium und VMQ, FVMQSauerstoff in der Polymerkette

T Kautschuke mit Schwefel Polysulfid-Elastomerin der Polymerkette

U Kautschuke mit Kohlenstoff, AU, EUSauerstoff und Stickstoff in der Polymerkette

Tab. 1:Systematik der Elastomertypen

Relaxation

DynamischeVerhärtung

Zeit-Temperatur-Korrespondenz-prinzip

Systematik der Elastomere 15

spricht in diesem Fall auch von ungesättigtenoder Dien-Kautschuken. Polysiloxane unter-scheiden sich von den organischen Kautschu-ken dadurch, dass die Hauptkette nicht ausKohlenstoffverbindungen, sondern aus alter-nierenden Silizium- und Sauerstoffatomen aufgebaut ist. Sie werden als Q-Typen klassifi-ziert. Allgemein werden diese Verbindungenauch als Silikonkautschuke bezeichnet.Abbildung 8 zeigt im Überblick die thermi-schen Anwendungsbereiche der verschiedenenElastomertypen (zu Eigenschaften und An-wendungsgebieten von Elastomeren siehe An-hang, Seite 68 f.).


Die Abkürzungen bestehen aus Kombinatio-nen von zwei bis vier Buchstaben (Tab. 1). Die ersten Buchstaben beschreiben das Basis-polymer, der letzte Buchstabe kennzeichnetdie chemische Struktur der Elastomere. Sowerden zum Beispiel alle Elastomere, derenHauptkette nur aus Kohlenstoffatomen aufge-baut ist und die keine Doppelbindungen (reak-tive Stellen) in der Hauptkette enthalten, alsM-Typen bezeichnet. Sind Doppelbindungenin der Hauptkette vorhanden, werden dieseElastomere in die R-Klasse eingeordnet. Man

Kaut

schu

ke

–100 –50 0 50 100

Temperatur [°C]

NR

SBR

CR

EPDM

NBR

IIR/CIIR

ECO

HNBR

ACM

AEM

FKM

VMQ

FVMQ

PVMQ

FFKM

AU

200 250 300150

Abb. 8:Temperatureinsatz-bereich der Elasto-mere. Die schraffier-ten Flächen gebenTemperatureinsatz-bereiche an, denenStandardtypen nurkurzzeitig ausgesetztwerden dürfen bzw.die von Spezialtypenabgedeckt werden.

Silikon-kautschuk

Mischungsbestandteile 17

Vulkanisationsmittel sowie der Schutz desElastomerbauteils gegen schädliche äußereEinflüsse.Die Grundeigenschaften einer Elastomermi-schung werden durch das Polymer bestimmtund sind entscheidend für die Leistungsfähig-keit der Dichtung. So sind zum Beispiel dieKälteeigenschaften durch das Polymer vorge-geben, können aber durch Weichmacher inner-halb gewisser Grenzen verbessert werden. Beider Zugabe von Weichmachern muss jedochberücksichtigt werden, dass diese im Praxisfalldurch Kontakt mit Schmierölen wieder ausdem Elastomer extrahiert werden können oderbei hohen Temperaturen verdampfen. Daherist bei der Entwicklung darauf zu achten, wel-chen Einsatzbedingungen (z. B. Temperaturen)die Dichtung ausgesetzt ist. Einen weiteren bedeutenden Einfluss auf dieMaterialeigenschaften des Elastomers habenso genannte Verstärkerfüllstoffe wie Rußeoder Kieselsäuren. Durch Art und Menge derFüllstoffe lassen sich dem Verwendungszweckangepasste physikalische Eigenschaften erzie-len. Maßgeblich verantwortlich für die verstär-kende Wirkung sind die spezifische Oberflä-che, die Struktur sowie die Oberflächenakti-vität der Füllstoffe. Das Prinzip beruht auf derWechselwirkung des Füllstoffs mit der Poly-mermatrix oder, einen ausreichend hohen Füll-grad vorausgesetzt, auf der Bildung von Füll-stoffnetzwerken, die dem chemischen Poly-mernetzwerk überlagert sind. Verstärkende,d. h. aktive Füllstoffe haben einen Partikel-durchmesser zwischen 10 und 100 nm (Nano-teilchen), inaktive Füllstoffe dagegen einenPartikeldurchmesser zwischen 500 und1000 nm. Zur Klassifizierung der Ruße ver-wendet man einen Code (nach ASTM), der dieAktivität der Ruße charakterisiert. Je kleinerdie Zahl, desto größer ist die verstärkende

16

Einflussfaktoren auf das Werkstoff -verhaltenElastomere sind empfindlich gegen Licht,Ozon, hohe Temperaturen, gegen viele Flüs-sigkeiten und Chemikalien sowie gegen ver-schleißende Beanspruchung. Somit ist bei derAuswahl eines geeigneten Dichtungswerk-stoffs neben dem Temperatureinsatzbereichauch häufig die chemische Beständigkeit unddas Quellverhalten des Elastomers von großerBedeutung. Deshalb spielen Informationenüber den Anwendungsbereich, zum Beispielmit welchen flüssigen oder gasförmigen Me-dien das Material in Berührung kommt, eineentscheidende Rolle für die Funktionsfähigkeiteines Elastomerwerkstoffs. Allerdings mussman bei der Mischungsentwicklung der Elas-tomere nicht nur die chemischen und physika-lischen Einflussfaktoren der Umgebung be-rücksichtigen, sondern auch die Wechselwir-kungen, die durch das Polymer und die Mi-schungsbestandteile selbst auftreten und dem-entsprechend das physikalische Eigenschafts-bild bestimmen. Alle diese Faktoren habenletztendlich wesentlichen Einfluss auf die Le-bensdauer des Bauteils.

MischungsbestandteileElastomere sind Mehrkomponentensysteme, indenen jede Komponente einen bestimmtenZweck zu erfüllen hat. Bei der Mischungsent-wicklung sind vier Haupteffekte zu erzielen:die Verstärkung des Elastomers durch Füll-stoffe, die Verbesserung der Verarbeitbarkeitund die Vernetzung des Kautschuks durch

Kenntnisse desAnwendungs -bereichs

Vier Haupt -effekte

Weichmacher

Verstärker -füllstoffe

Aktive Ruße

Einfluss der Vernetzungsdichte 19

mermatrix ist die Voraussetzung für eine guteQualität der Elastomerprodukte. Daher werdenheute im Bereich technischer Elastomerwerk-stoffe Ruße eingesetzt, die eine gute Disper-gierbarkeit und eine hohe Verarbeitungssicher-heit gewährleisten.Helle Füllstoffe wie Kieselsäuren haben einvergleichbares Verstärkungspotenzial wie Ruße.Allerdings zeigen Kieselsäuren eine aus-geprägte Agglomerisierungsneigung. Sie bildenstarke Füllstoffnetzwerke, die für die Verstär-kungswirkung in der Polymermatrix verant-wortlich sind. Mischungen mit aktiven Kiesel-säuren sind daher bei gleichem Füllstoffgehaltwesentlich schwieriger zu verarbeiten als ruß-gefüllte Mischungen. Zudem stören Kieselsäu-ren aufgrund ihrer Polarität die Vernetzung mitSchwefel-Beschleuniger-Systemen. Dadurch re -duziert sich die Vernetzungsgeschwindigkeit.Bei Ersatz von Rußen durch Kieselsäuren ist es deshalb notwendig, eine Anpassung der Vernetzungschemie vorzunehmen.

Einfluss der VernetzungsdichteDie Vulkanisation oder Vernetzung ist derformgebende Schritt bei der Herstellung eineselastomeren Bauteils. Bei diesem Vorgangwerden chemische Bindungen geknüpft, dieaus der Kautschukmischung ein Elastomermit maßgeschneiderten Eigenschaften ma-chen. Die Vulkanisation erfolgt in der Regelunter Druck und bei erhöhter Temperatur (T >140 °C) in speziell dafür konstruiertenWerkzeugen. Das Vernetzungssystem bestimmt die Verar-beitungseigenschaften, den chemischen Auf-bau des Netzwerks und die physikalischen Ei-genschaften der Elastomere. Bei der Entwick-lung von Elastomermischungen spielt somitdie Wahl des Vulkanisationssystems eine maß-

18 Einflussfaktoren auf das Werkstoff verhalten

Wirkung des Rußes. Da aktive Ruße das Ei-genschaftsbild der Elastomere wesentlich stär-ker beeinflussen als inaktive Füllstoffe, lässtsich eine Abhängigkeit mechanischer Eigen-schaften wie Zugfestigkeit, Abriebverhaltenoder Weiterreißfestigkeit von der Struktur undOberfläche der Ruße sowie vom Füllstoffge-halt beobachten (Abb. 9). Eine homogene Dis-persion (Verteilung) der Füllstoffe in der Poly-

Rußanteil [phr]

Zug

fest

igke

it [M

Pa]

Moo

ney-

Vis

kosi

tät [

ML

(1+

4)/1

00 °

C]

N 770

N 990

N 220

N 330

N 550N 770 N 990

N 220

N 330

N 550

00

7

14

21

28

20 40 60 80 100 120

Rußanteil [phr]0

0

50

100

150

200

20 40 60 80 100 120

Abb. 9:Die Wirkung aktiver(N 220, N 330), halb -aktiver (N 550) undnicht aktiver Ruße(N 770, N 990) auf die Compound -eigenschaften wieZugfestigkeit undViskosität wird maß-geblich durch dieAuswahl der Ruß -typen und des Ruß -anteils bestimmt.phr parts per hun-

dred rubber

HomogeneVerteilung

Kieselsäuren

Vernetzung alsformgebenderSchritt

Einfluss der Vernetzungsdichte 21

Die Vernetzungsdichte hat einen entscheiden-den Einfluss auf Werkstoffeigenschaften wieErmüdung, Härte, Zugfestigkeit, bleibende Ver-formung, Reibung und Reißdehnung (Abb. 10).Mit zunehmender Vernetzungsdichte nehmen E-Modul, Härte und Elastizität zu, Reißdeh-nung, Dämpfung sowie bleibende Verformungab, während Weiterreißwiderstand und Zugfes-tigkeit ein Maximum durchlaufen, bevor siewieder deutlich abnehmen. Als Konsequenz da raus ergibt sich, dass bei einer bestimmtenVernetzungsdichte nicht für alle Materialeigen-schaften ein Optimum erzielt werden kann. Inder Regel wird die Vernetzungsdichte so ge-wählt, dass die für eine bestimmte Anwendungwichtigen physikalischen Eigenschaften opti-miert werden.Da es sehr aufwändig ist, die Vernetzungs-dichte chemisch zu bestimmen, wird währendder Vernetzungsreaktion bei konstanter Tem-peratur eine mechanische Größe – das Dreh-moment – aufgezeichnet, die der Vernetzungs-dichte näherungsweise direkt proportional ist.Eine zunehmende Vernetzungsdichte zeigtsich an einem ansteigenden Drehmoment. DasPrüfgerät, das so genannte Rheometer, be -steht aus einer temperierten Messkammer


gebliche Rolle, um die gewünschten Werk-stoffeigenschaften zu erzielen. Die zwei häu-figsten Vernetzungsarten sind: die Schwefel-vernetzung und die Peroxidvernetzung. DieSchwefelvernetzung erfolgt nicht ausschließ-lich über die Zugabe von freiem Schwefel,sondern über eine Kombination unterschied-licher Substanzen, um die geeignete Vernet-zungscharakteristik einzustellen. In der Pra-xis bedeutet dies, eine verarbeitungsfähigeMischung zu entwickeln, die nicht nur einesichere Formgebung gewährleistet, sonderngleichzeitig auch eine wirtschaftliche Ferti-gung zulässt. Dabei erlaubt die Vielzahl derzur Verfügung stehenden Beschleuniger,Schwefelspender und Verzögerer eine nahezuunendlich große Anzahl an Kombinationsmög-lichkeiten. Die Schwefelvernetzung wird vorallem bei der Vernetzung von Dien-Kautschu-ken wie zum Beispiel NR, SBR, BR, NBRoder CR eingesetzt. Mit der Entwicklung ge-sättigter synthetischer Kautschuktypen hat diePeroxidvernetzung zunehmend an Bedeutunggewonnen. Durch diese Vernetzungsart ist esüberhaupt erst möglich geworden, Kautschukeohne Doppelbindungen in der Hauptkette zuvernetzen. Darüber hinaus lässt sich durch Peroxidvernetzung ins besondere bei NBR dieWärmebeständigkeit verbessern. Allerdings kön -nen verschiedene Faktoren wie Luftheizung,acide Gruppen enthaltende Füllstoffe oder entstehende Zerfallsprodukte des Per oxidswährend des Vulkani sationsprozesses eine reibungslose Vernetzung behindern. Das Ausmaß an geknüpften chemischen Bin-dungen zwischen den Polymerketten währendder Vulkanisation hängt bei beiden Vernet-zungsarten neben dem Kautschuktyp in ersterLinie von Art und Menge des gewählten Ver-netzungssystems ab und wird auch als Vernet-zungsgrad oder Vernetzungsdichte bezeichnet.

Vulka

nisat

eigen

scha

ften

Vernetzungsdichte

WeiterreißfestigkeitErmüdung

Elastische RückstellkräfteHärte

Zugfestigkeit

DämpfungBleibende Ver-formungReibungskoeffizientReißdehnung

Abb. 10:Einfluss der Vernetzungsdichteauf die Elastomer-eigenschaften

Schwefel- und Peroxid -ver netzung

Vernetzungs-dichte

Messung desDrehmoments

Physikalisches und chemisches Einwirken 23

Physikalisches und chemischesEinwirkenJe nach Art der Einwirkung lösen Alterungs-vorgänge im Elastomernetzwerk Veränderun-gen aus, die zu Verhärtung, Erweichung oderzum Verlust an Festigkeit führen. Dies äußertsich beispielsweise durch Aufquellen, durchRissbildung und Versprödung oder durch Verfärbung des Elastomers. Eine Temperatur-erhöhung beschleunigt die Alterungsvor-gänge sehr deutlich. Es gilt die Faustregel:Pro 10 °C wird die Alterung um den Faktor 2bis 4 beschleunigt. Entsprechend sinkt dieLebensdauer von Bauteilen um den gleichenFaktor.

Angriff durch SauerstoffDichtungen sind vielen verschiedenen Um-welteinflüssen wie Sauerstoff, Ozon, UV-Lichtoder wechselnden klimatischen Bedingungenausgesetzt. Der Sauerstoff in der Luft führt inKombination mit erhöhten Temperaturen zueiner Schädigung der Elastomermatrix. DieseSchädigung kann darin bestehen, dass es zu einer zusätzlichen Vernetzung der Polymer -ketten oder zu einem Abbau der Vernetzungs-stellen kommt. Als Folge davon sind Festig-keitsverlust, Verhärtung oder eine charakteris-tische Rissbildung zu beobachten, was letzt -endlich zum Ausfall des Bauteils führen kann.Dien-Kautschuke (z. B. NR, SBR, NBR), diein der Polymerkette noch Doppelbindungenenthalten, werden durch Sauerstoff und vor al-lem durch Ozon wesentlich stärker angegriffenals gesättigte Kautschuke (z. B. EPDM, ACM,ECO usw.).Um die Alterungsprozesse zu verzögern odergar zu unterbinden, werden den Elastomer -mischungen (insbesondere den Dien-Kaut-schuken) auf den jeweiligen Elastomertyp ab-


und einer flachen zylindrischen Scherscheibe(Rotor), die sich mit konstanter Drehzahl be-wegt. Nach dem Einlegen der Kautschukprobeentsteht an der Rotorwelle ein Drehmoment.Dieses wird im zeitlichen Verlauf registriertund zur Beurteilung der Vernetzungsdichteherangezogen. Darüber hinaus gibt die Vulka-meterkurve Aufschluss über die Mischungs-viskosität bei Vulkanisationstemperatur. Manunterscheidet drei charakteristische Abschnitte(Abb. 11):

• Die Fließperiode umfasst das Zeitintervallvom Beginn der Messung bis zum Beginnder Vernetzung, d. h. bis zum Anstieg desDrehmoments. Sie kennzeichnet den Be-reich des viskosen Fließens, der zur Form-füllung des Werkzeugs genutzt wird. Wäh-rend dieser Zeit nimmt das Drehmoment zunächst ab.

• Die Vernetzungsperiode gibt Aufschluss überdie Zeitspanne, die vom Beginn der Vernet-zung bis zum Überführen des Materials in einen formstabilen Zustand notwendig ist.

• Die vollständige Vernetzung ist erreicht,wenn sich alle möglichen Vernetzungsstel-len ausgebildet haben. Das Drehmoment erreicht ein stabiles Werteniveau.

00 1 2 3 4 5

KeineVernetzung

Vernetzungs-periode

Fließ-periode

6

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Zeit [min]Dr

ehm

omen

t [Nm

]

Vernetzungs-dichte

Abb. 11:Vernetzungs -charakteristik vonElastomeren durchMessung desDrehmoments

Vernetzungs -periode

Fließperiode

VollständigeVernetzung

Elastomerealtern

Schädigung der Elastomer-matrix


positionszeiten bei tieferen Temperaturen(Abb. 13). Bei dicken Prüfkörpern ist die lang-samere Diffusion des Sauerstoffs in das Elas-tomer der begrenzende Faktor für die Zerstö-rung der Elastomermatrix und den damit ver-bundenen Alterungsvorgängen. Daher alterndicke Elastomerbauteile in der Praxis wesent-lich langsamer als dünne Bauteile. Welcher Alterungsschutz für ein Elastomer-bauteil am besten ist, hängt wesentlich vondessen Einsatzbedingungen ab. Nur im güns -tigsten Fall reicht ein einzelnes Alterungs-schutzmittel aus. In der Regel werden Kombi-nationen aus verschiedenen Alterungsschutz-mitteln eingesetzt.

MedieneinflussBei der Einwirkung von Medien wie beispiels-weise Ölen oder Fetten laufen immer zwei unterschiedliche Prozesse ab, die das Elasto-mer und somit seine Dichtfunktion beeinträch-tigen können: das physikalische Aufquellen


gestimmte Alterungsschutzmittel beigemischt.Diese machen den Luftsauerstoff auf chemi-schem Wege unschädlich, sodass es erst garnicht zur Oxidation der Polymerketten kommt.Um eine Schädigung durch Ozon zu vermei-den, werden entsprechende Ozonschutzmittelund Wachse eingesetzt. Bei dauerhafter Ver-formung – insbesondere bei Einwirkung er -höhter Temperaturen – können chemische Prozesse (Kettenabbau, Netzstellenabbau oderUmlagerungen), die zu einer bleibenden Ver-änderung des Werkstoffs führen, den physika-lischen Vorgängen überlagert sein. StehenElastomerbauteile unter Zugspannung, kannOzon die Elastomermatrix deutlich schnellerangreifen. In diesem Fall entstehen charakte-ristische Risse quer zur Spannungsrichtung,die unter ungünstigen Umständen zum Bau-teilversagen führen können (Abb. 12).Eine exakte Beurteilung des Alterungsverhal-tens und einen tieferen Einblick in die Alte-rungsmechanismen ermöglicht die Messungder chemischen Spannungsrelaxation bei ver-schiedenen Temperaturen. Um die verschiede-nen chemischen Einflüsse besser zu beurtei-len, werden die Messungen zum Vergleichauch in Stickstoff oder in flüssigen Mediendurchgeführt. Ein Arrhenius-Plot der Ergeb-nisse erlaubt die Extrapolation auf lange Ex-

Abb. 12:Schädigung des Elas tomers durchEin wirken von Ozon:mit Ozonschutzmittel(a), ohne Ozonschutz-mittel (b) im Ver-gleich mit einemnicht-gealterten Elastomer (c)

Abb. 13:Lebensdauer -vorhersage anhandder Extrapolationder Messwerte derZugspannungsrelaxa-tion (Material: NBRPeroxidvernetzt)gemessen bei ver-schiedenen Tempera-turen in Luft undStickstoffε DehnungEA Aktivierungsener-

gie des Alterungs -prozesses

Zeit [h]

EA = 122 kJ/mol

ε = 0,25 %

100 °C kont. Luft110 °C kont. Luft120 °C kont. Luft100 °C diskont. Luft100 °C kont. Stickstoff

010-2 10-1 100 101 102 103 104

2,2

2,3

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

2,9

3,0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Relat

ive Z

ugsp

annu

ng [%

]

1000

/T [K

-1]

a) b) c)

Ozonschutz -mittel undWachse

Messung derchemischenSpannungs -relaxation


Eignung des Werkstoffs in dem betreffendenMedium. Allerdings kann durch einen solchenKurzzeitversuch (< 3 Tage) kein wirklicherEindruck von den tatsächlich zu erwartendenLangzeitveränderungen gewonnen werden, dadas chemische Einwirken unterschiedlich starkvon Zeit und Temperatur abhängt. Daher sindPrüflaufversuche unter Einsatzbedingungenein unumgänglicher Schritt bei der Beurtei-lung eines Bauteils. Eine geringe Volumen-quellung stellt bei geeigneter Auslegung derDichtungsumgebung keine Gefahr für dieFunktion der Elastomerdichtung dar. Dagegenführt der Volumenschrumpf zu einer Beein-trächtigung der Dichtfunktion in Form von Leckage. Wandert das Medium (gasförmigoder flüssig) durch den Werkstoff hindurch,ohne dabei Poren oder Risse zu durch -dringen, spricht man von Permeation. Ein solcher Prozess führt zu einer Mikroleckageder Dichtung.Durch die Medieneinwirkung werden vieleWerkstoffeigenschaften wie Härte, Dichte,Reißfestigkeit und Dehnung, elektrische undoptische Eigenschaften sowie die Farbe unddie Oberflächenstruktur beeinflusst. Die Ursa-chen eines Schadensfalls lassen sich somitnicht nur auf Fehler bei der Dichtungsherstel-lung, sondern auch auf Fremdeinflüsse wie dieEinwirkung von Ölen, Fetten oder Gasen zu-rückführen, die das Elastomer sowohl che-misch als auch physikalisch verändern können.Insbesondere die hohen Anteile an Additiven inden neuen vollsynthetischen Ölen können denDichtungswerkstoff chemisch angreifen undzerstören. Daher müssen Dichtungsherstellerüber eine umfangreiche Datenbasis verfügen,um aus der Interpretation der Schmierstoff-Elastomer-Wechselwirkungen die Leistungs -fähigkeit und Lebensdauer der Dichtung mög-lichst exakt vorhersagen zu können.


und das chemische Einwirken, bei dem sichder Werkstoff im Gegensatz zum reinen Quel-len unter Medieneinfluss chemisch irreversibeländert. Um einen Elastomerwerkstoff auf seine Eig-nung für ein bestimmtes Medium zu untersu-chen, wird er im Rahmen eines Kurzzeitver-suchs in der Flüssigkeit des Prüfmediums ge-lagert (Abb. 14). Durch Diffusion kommt eszur Aufnahme des Mediums in die Elastomer-matrix. Hierbei kann sich das Medium an diePolymerketten anlagern. Diese zunächst nurrein physikalischen Vorgänge der Quellungund Volumenveränderung können durchgleichzeitige Extraktionsvorgänge überlagertwerden. Dabei wandern Bestandteile des Elas-tomerwerkstoffs wie zum Beispiel Weichma-cher, Alterungsschutzmittel oder sonstige Ad-ditive in das umgebende flüssige Medium aus(chemisches Einwirken). Dies hat zur Folge,dass die tatsächlich beobachteten Volumen-und Gewichtsänderungen eine Bilanz aus ein-diffundierter Flüssigkeit und extrahierten Elas-tomerbestandteilen darstellen. Die reinenQuellvorgänge sind nach wenigen Tagen ab -geschlossen und geben Aufschluss über die

Abb. 14:Medienlagerung von Prüfkörpern

Quellung und Volumen -änderung

Volumen-schrumpf beeinträchtigtDichtfunktion

Schädigungdurch Schmier-stoffadditive


inneren Erwärmung des Elastomers und somitzur Rissbildung und Zerstörung des Werkstoffs.Man bezeichnet diesen Vorgang auch als Er -müdung. Um das Ermüdungsverhalten einesElastomerdichtstoffs vorhersagen zu können, istdie Ermittlung der reinen Materialkenngrößenwenig sinnvoll, da Prüfbedingungen und Formder Prüfkörper einen großen Einfluss haben. Da-her werden meist Fertigteile auf praxisnahenPrüfständen getestet (Abb. 16).

28 Physikalisches und chemisches Einwirken

Es gibt kein Elastomer, das alle Anforderun-gen an Ölbeständigkeit sowie an Wärme- undKältebeständigkeit gleichermaßen erfüllt. Fürdie Auswahl eines geeigneten Dichtwerkstoffssind daher das Umgebungsmedium und dieTemperaturbedingungen im Einsatzfall zu be-rücksichtigen. Es gilt der chemische Grund-satz: »Similia similibus solvuntur« (lat.: »Glei-ches löst Gleiches«). Das bedeutet, dass polareElastomere (z. B. NBR) in polaren Medien(z. B. Glykol) stark aufquellen, während unpo-lare Elastomere wie EPDM in unpolaren Me-dien (z. B. Mineralöl) nicht beständig sind(Abb. 15). Nähere Angaben über die Eignungvon Elastomerwerkstoffen in ausgewähltenDichtmedien finden sich im Anhang zu diesemBuch (siehe Seite 70).

Dynamische BelastungBei ständig sich wiederholender Verformungwerden Elastomerwerkstoffe durch innere Rei-bung geschädigt. Dies führt mit der Zeit zur

Abb. 15:Medienbeständigkeitder Elastomere imReferenzöl IRM 903

Quellung in Referenzöl IRM 903 [%]

NRSBR

IIREPDM

VMQ PVMQ

CR

AEM

AUNBR

PTFEFFKM

FKM

FVMQACM

HNBRECO

TPE-E

500 20 40 60 80 100 120 140 160

75

100

125

150

175

200

225

250

275

Max

imale

Bet

riebs

tem

pera

tur [°C

]

Abb. 16:Prüffeld für Funktionstests vonSimmerringen

Bei reibender äußerer Beanspruchung tritthäufig Materialabtrag oder eine Veränderungder Oberfläche auf. Dieser Verschleiß ist nichtnur vom Elastomermaterial, sondern auch vonder Gegenlauffläche, ihrer Schmierung undder Gleitgeschwindigkeit sowie von anderenParametern abhängig. Nur wenn genaue undrelevante Material- und Ermüdungsdaten auspraxisnahen Untersuchungen vorliegen, ist dieAnwendung moderner Berechnungs- und Si-mulationsmethoden zur Vorhersage der Bau-teileigenschaften und zu Aussagen über denFunktionserhalt möglich.

»Gleiches löstGleiches«

Ermüdung

Verschleiß

Mischtechnologie 31

sionen für Ruße, Weichmacher und Beschleu-niger umgerechnet. Anhand des »Spaghetti-Modells« lassen sich die Anforderungen er-kennen, die an den Mischprozess gestellt werden. Die Kunst des Kautschukmischensbesteht darin, die unterschiedlichen Bestand-teile und Aggregate aufzubrechen und gleich-mäßig in der Polymermatrix zu verteilen, umeine homogene Qualität des Compounds zugewährleisten.Die Vereinigung der verschiedenen Kompo-nenten kann in der Regel nicht in einem Ar-beitsgang erfolgen. Dies gilt insbesondere fürMischungen, die feinteilige Ruße oder Natur-kautschuk als Polymerbasis haben. Der Misch-prozess besteht in der Regel aus vier Stufen:

• Das als Ballen in die Mischkammer zuge-führte kalte Rohpolymer muss zerkleinertwerden, um genügend große Oberflächen fürdie Füllstoffinkorporation zu erzeugen. Im In-neren der Mischkammer befinden sich dazu

30

Verarbeitungs -verfahrenVoraussetzungen für die Produktion von Bau-teilen aus Hochleistungselastomerwerkstoffensind die Zuverlässigkeit der Rohstoffqualität,exakte Gewichtsanteile der Rohstoffe, ein kontrollierter Mischprozess sowie optimierteFormgebungsverfahren.

MischtechnologieElastomere sind Mehrkomponentensysteme.Die verschiedenen Rohstoffe mit sehr unter-schiedlichen Gewichtsanteilen und verschie-denster Konsistenz müssen zu einer ho-mogenen Mischung verarbeitet werden. Sowird der Kautschuk als plastisches Polymer inBallen- oder Chipform angeliefert und erst beiVerarbeitungstemperatur fließfähig, währendbeispielsweise Weichmacher in der Regel alsÖl vorliegen.

MischprozessZiel des Prozessschrittes Mischen ist es, alleerforderlichen Rohstoffe gleichmäßig zu ver-teilen (distributives Mischen) und Agglome-rate aufzubrechen (dispersives Mischen), umeine optimale Anbindung der Füllstoffpartikelan das Polymer zu ermöglichen. Diese ist insofern von besonderer Bedeutung, da dieWechselwirkungen zwischen den Füllstoffpar-tikeln und der Polymermatrix unter anderemdie Verstärkung des Elastomers bedingen. Umdie Größenunterschiede der Mischungsbestand -teile zu verdeutlichen, wurden in Abbildung17 die Länge und der Durchmesser einesKautschukmoleküls auf eine Spaghetti-Nudelübertragen. Entsprechend wurden die Dimen-

Abb. 17:Größenunterschiededer Mischungs -bestandteile am Beispiel des Spaghetti-Modells

Polymer-knäuel

Ruß-aggregat

Zinkoxid-Partikel(Ausschnitt)

Proportionsmodell:Spaghetti

Länge Durchmesser Partikel Länge Durchmesser1–3 μm

50 nm190 nm320 nm

4 nm5 μm

0,8 nm

0,15 nm50 nm50 nm

180 nm2 nm5 μm

0,8 nm

KautschukmolekülPolymerknäuelRußaggregat N330Rußaggregat N990WeichmacherZinkoxidSchwefel/Beschleuniger

10–30 m0,5 m1,9 m3,2 m

40 mm50 m8 mm

15 mm0,5 m0,5 m1,8 m

20 mm50 m8 mmZiel: homogene

Mischung

Unterschied-lich großeMischungs -bestandteile

MehrereArbeitsgänge

Mischtechnologie 33

des Mischguts während des Prozesses. Dahergilt der zeitliche Verlauf der zugeführten Ener-gie gleichsam als »Fingerabdruck« der Mi-schung (Abb. 18). Eine durchgängige Doku-mentation der wichtigsten Prozessparameterwie zum Beispiel Temperatur, Drehzahl, Zeitund Energie dient somit zur Überwachung undSicherung der Mischungsqualität. Für die Her-stellung von hochwertigen technischen Elasto-merbauteilen werden Innenmischer mit inei -nandergreifenden Rotoren bevorzugt, da sie inder Regel eine bessere Dispersionsqualität lie-fern und eine schnellere Wärmeabfuhr erlau-ben. Dies ermöglicht einen Mischprozess beiniedrigeren Temperaturen.Vom Bereitstellen der Rohstoffe bis zum Aus-liefern der fertigen und geprüften Mischung istfür die Herstellung einer Charge eine Vielzahlvon Prozessschritten erforderlich. Um den

32 Verarbeitungs verfahren

zwei sich gegenläufig drehende Rotoren.Durch die entstehenden Scherkräfte erwärmtsich das Polymer und wird fließfähiger.

• Die zugeführten Füllstoffe und Weichma-cher müssen eingearbeitet werden, sodasseine zusammenhängende Masse entsteht.Das Polymer dringt hierbei in die Leer-räume der Füllstoffagglomerate ein und ver-drängt die Luft. Diesen Prozessschritt be-zeichnet man als Inkorporation.

• Die Füllstoffe, insbesondere die Ruße, lie-gen als Agglomerate vor, die durch Scher-kräfte abgebaut werden (Dispersion).

• Die zerkleinerten Füllstoffe werden gleich -mäßig in der Polymermatrix verteilt. DiesenProzessschritt bezeichnet man als Distribution.

In allen Mischprozessstufen verändern sich dieOberflächeneigenschaften, Größen und Vertei-lungsgrade der Zuschlagsstoffe sowie, bedingtdurch thermische Vorgänge, die Fließfähigkeitdes Polymers und damit das Fließverhalten

Abb. 18:Zeitlicher Verlauf derProzessparameterwährend des Misch-prozesses

Zeit [min]

Proz

essp

aram

eter

TemperaturStempelweg

DrehzahlEnergie

Abb. 19:Materialfluss in derProduktion

Innenmischer

Walzwerk Walzwerk Batch-off-Anlage

Kautschuk-ballen

Kautschuk-spalter

HelleFüllstoffe

ÖlRuß Ruß Öl

Inkorporation

Dispersion

Distribution

DurchgängigeDokumentation

Mischtechnologie 35

sehr hohen Scherkräften ausgesetzt. In einemzusätzlich integrierten Walzwerk läuft dasMischgut dabei durch einen sehr engen Walzen-spalt (< 1 mm) bei gleichzeitig hoher Reibung.Diese Maßnahme verbessert die Qualität derMischung und ist insbesondere bei Mischun-gen, die ein hohes Dispersions niveau erfordern(Sicherheitsbauteile, Druck- und Lippendich-tungen), ein obligatorischer Prozessschritt.

Qualitätsaspekte und ProzesssteuerungDie Anforderungen an Funktionseigenschaftenund Qualität der Zulieferteile für die Automo-bil- und die allgemeine Industrie sind in denvergangenen Jahren bereits erheblich gestie-gen und werden auch zukünftig weiter steigen.Gesetzliche Richtlinien sowie zunehmend hö-here Qualitätsansprüche der Kunden erforderneine kontinuierliche Überwachung und Doku-mentation der Rohstoffqualität, der Mischun-gen sowie der Prozesse. Durch systematischeQualitätsvorausplanung werden alle Schrittevon der Konzeptphase über die Entwicklungbis hin zum serienreifen Mischungsrezept be-wusst eingeleitet und abgeschlossen. So er-folgt bereits in der Entwicklungsphase mittelseiner FMEA (Fehlermöglichkeits- und Ein-flussanalyse) eine Bewertung und Risikoab-schätzung der Mischungen. Da Elastomermischungen »Werkstoffe nachMaß« sind, bedeutet dies für einen Herstellertechnischer Elastomerprodukte, dass eine Viel-zahl verschiedener Mischungen (es könnenmehr als 1000 sein) gefertigt und verwaltetwerden müssen. Für die Herstellung der Mi-schungen ist eine entsprechend große Anzahlan Rohstoffen erforderlich. Um eine hoheQualität sicherzustellen, werden nur Rohstoffevon freigegebenen und zertifizierten Lieferan-ten eingesetzt. Computergesteuerte Systemeübernehmen in der Produktion die Auftrags -


Materialfluss zu gewährleisten, sind verschie-denste Aggregate von der Verwiegeeinheitüber den Kautschukspalter, den Innenmischer,das Walzwerk bis hin zur Batch-off-Anlage er-forderlich (Abb. 19).

Homogenisieren am WalzwerkWalzwerke bestehen im Wesentlichen auszwei hintereinander angeordneten, temperier-baren Walzen, die mit unterschiedlicher Dreh-zahl laufen. Durch die Reibung zwischenWalze und Mischgut wird sichergestellt, dassdie ausgewalzte Mischung (Mischungsfell) inder Regel auf der langsamer laufenden Vorder-walze klebt. Die erste Aufgabe des Walzwerksbesteht im Abkühlen der Mischung, derenTemperatur nach Beendigung des Mischvor-gangs im Innenmischer bis zu 150 °C betragenkann. Zusätzlich erfolgt am Walzwerk eineweitere Homogenisierung der Mischung. DieMischwirkung des Walzwerks beruht unter an-derem auf der im Walzenspalt stattfindendenDispersion, die durch die unterschiedlicheDrehzahl der Walzen verstärkt wird. Die Ver-teilung der Mischungsbestandteile wird durchSchneiden des Mischungsfells und den Einsatzvon Hilfswalzen, so genannte Stockblender,verstärkt. Die Fellbildung wird durch die Wal-zenspaltdicke sowie durch Reibung und Tem-peratur beeinflusst. Falls es das Rezept erfor-dert, werden auf der Walze nach der Abkühl-phase temperatursensible Vulkanisations- undBeschleunigungschemikalien zugegeben. Sindin einer Mischlinie zwei Walzwerke aufge-stellt, steht während der Zykluszeit des Innen-mischers mehr Zeit zum Walzen zur Verfü-gung. Um die Reproduzierbarkeit der Abläufezu gewährleisten, wird der Walzprozess auto-matisch überwacht und dokumentiert. Um Füllstoffagglomerate vollständig zu zerstö-ren, werden die Mischungen in Ausnahmefällen

Abkühlung und Homo -genisierung

Qualitäts -vorausplanung

Hohe Rohstoff-qualität

Formgebungsverfahren 37

FormgebungsverfahrenDie Technologie der Kautschukverarbeitungist ein weites Gebiet, das von der flüssigen La-texverarbeitung über Extrusions- und Formge-bungsverfahren in geschlossenen Werkzeugenbis hin zu manuell aufgebrachten Behälter -auskleidungen reicht. Die am weitesten ver-breitete Formgebungs- und Vulkanisations -methode für Dichtungen und technische Formteile beruht auf der Bauteilherstellung in geschlossenen Werkzeugen.

Compression MouldingDas Kompressionsverfahren (engl. Compres-sion Moulding) ist eine der ältesten Herstel-lungsformen technischer Elastomerbauteile.Für dieses Verfahren benötigt man einen Rohling, der groß genug ist, die Form des zufertigenden Bauteils auszufüllen. Für die Her-stellung dieser Art von Rohling hat sich dasBarwell-Verfahren bewährt. Bei diesem Ver-fahren wird die Kautschukmasse durch eineDüse gedrückt und mittels eines rotierendenMessers in sehr gleichmäßige Stücke gleichenGewichts abgeschnitten. Anschließend wirdder vorgeformte Rohling in die Bauteilform imWerkzeug (Werkzeugnest) eingelegt und


abwicklung, Rohstoffverwaltung sowie dieProzess- und Qualitätssteuerung (Abb. 20).In einer großen Mischerei, die über mehrereMischlinien verfügt, wird jedem Rezept eineMischlinie zugeordnet, um die aggregatspezi-fischen Stärken zu nutzen, aber auch um häu-fige Mischungswechsel und damit verbundeneRüst- und Reinigungszeiten sowie das Risikovon Kontaminationen zu vermeiden. Die Rei-henfolge der Mischaufträge wird so zu-sammengestellt, dass

• sich möglichst große Losgrößen ergeben,• Rezepte mit ähnlichen Rohstoffen einander

folgen sowie• Farbwechsel vermieden werden.

Die Optimierung der Mischprozesse und Anla-gen ist die Basis für das Erreichen sichererund stabiler Mischprozesse.

Abb. 20:RechnergesteuerterProzess zur Ressourcenplanung

Rohs

toffe

erfa

ssen

Mat

erial

-sta

mm

date

n

Etike

ttiere

n/Re

zept

Quali

tätss

icher

ungs

-en

tsche

id

Rück

meld

ung

(Gew

ichte

)

Batch

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(Gew

ichte

)Gu

t/sch

lecht

Rohs

toffli

eferu

ng

Einla

geru

ng

Lage

r

Prüf

en

Batch

-off

Walz

en

Misc

hen

Hand

verw

iegun

g

Auftr

ag

ERP(Enterprise resource planning)

Abb. 21:Prinzip des Com-pression Mouldings

Obere Heizplatte

Untere Heizplatte

Rohling

FErstellen derMischaufträge


drückt. Beim Pressen durch die engen Fließ -kanäle ist ein intensiver Wärmeaustausch mitder Werkzeugwand gewährleistet. Zudem wirddurch die Fließgeschwindigkeit eine hohe Rei-bungswärme erzielt. Dies muss bei der Ent-wicklung des Mischungsrezepts berücksichtigtwerden, da die zusätzliche Reibungswärmezum vorzeitigen Anvulkanisieren der Mi-schung führen kann. Die Heizzeiten werdenim Vergleich zum Kompressionsverfahren er-heblich verkürzt. Auch im Transfer-Moulding-Verfahren entsteht normalerweise ein Grat, derin der Regel aber dünner ist als beim Kom-pressionsverfahren. Mit dem Transfer-Moul-ding-Verfahren lassen sich Formteile innerhalbenger Toleranzgrenzen fertigen; daher ist esbesonders gut für die Herstellung komplexerKleinteile geeignet.

Injection MouldingDas Spritzgießverfahren (engl. Injection Moul-ding) wurde schon erfolgreich in der Kunst-stoffindustrie eingesetzt, bevor es einige Jahrespäter in der Kautschukindustrie eingeführt


die Presse geschlossen. Die durch die Heiz-platten erzeugte Wärme wandert in die Form-masse und setzt den Vulkanisationsprozess inGang (Abb. 21). Das Kompressionsverfahrenerfordert relativ lange Heizzeiten. Dies liegtvor allem daran, dass der Rohling von derUmgebungstemperatur auf die bei 150 bis180 °C liegende Vulkanisationstemperatur auf-geheizt werden muss. Da Elastomere schlechteWärmeleiter sind, kann dieser Vorgang beidickwandigen Bauteilen mehrere Minutendauern. Um Lufteinschlüsse zu vermeiden,muss die Form während des Vulkanisations-vorgangs mehrfach durch kontrolliertes Auf-fahren der Presse entlüftet werden. Das über-schüssige Material muss ebenfalls entweichen.Dabei bildet sich in der Trennebene der beidenWerkzeughälften eine Gummihaut als Grat,die nach der Vulkanisation vom Formteil ent-fernt werden muss. Dies geschieht in einementsprechenden Nachbearbeitungsschritt.

Transfer MouldingDas Transfer-Moulding-Verfahren ist eineWeiterentwicklung des Kompressionsverfah-rens und kann grundsätzlich mit den vorhan-denen Kompressionspressen durchgeführtwerden. Bei diesem Verfahren ist in die obereWerkzeughälfte eine Vertiefung eingearbeitet,in welche die unvulkanisierte Mischung inForm von einfachen Rohlingen eingelegt wird(Abb. 22). Die obere Werkzeughälfte ist imBereich der Vertiefung durch feine Kanäle(»Transfertopf«) mit dem Werkzeugnest ver-bunden. Der wichtigste Unterschied zumKompressionsverfahren besteht darin, dass dasWerkzeugnest bereits beim Beginn des Pres-sens geschlossen ist. Wird die Presse zugefah-ren, bewegt sich das Werkzeug gegen eineneingebauten Kolben und die Elastomermi-schung wird in die Werkzeugnester einge-

Abb. 22:Prinzip des Transfer Mouldings

Obere Heizplatte

Untere Heizplatte

Rohling

FLange Heiz zeiten

Formgebungüber Kanäle

Verkürzte Heizzeiten


gleich zu den anderen genannten Verfahren amkürzesten ist. Aufgrund der vergleichsweisehohen Investitionskosten eignet sich das In -jection-Moulding-Verfahren allerdings nur fürgrößere Produktionsserien.

Weitere TechnologienDas Problem der Entgratung bzw. die Vermei-dung der Gratbildung hat zur Entwicklung neuerVerfahren und Werkzeuge geführt. Die Werk-zeugoberfläche lässt sich beispielsweise so mo-difizieren, dass zwar noch Luft entweichenkann, aber kein Elastomer aus dem Nest heraus-dringt. Diese Methode wird als Ready Mouldingoder als »Flash-less«-Verfahren bezeichnet. IhreAnwendung ist besonders für die Herstellungvon Präzisionsformteilen geeignet.Die Kombination der verschiedenen Formge-bungsverfahren hat zu einer Reihe weitererVerfahren geführt. So verbindet das Injection-Ready-Moulding-Verfahren das Spritzgießenmit der Werkzeugtechnologie zur gratlosenFertigung. Zum Spritzgießen kleiner, flacherFormteile, vorzugsweise O-Ringe, verwendetman unter anderem das Injection CompressionMoulding (Spritzprägen). Grundsätzlich be-ruht dieses Verfahren darauf, dass beimSchließen des Werkzeugs noch ein Restspaltoffen gelassen wird. In diesen Spalt wird diebenötigte vorplastifizierte Mischung einge-spritzt und anschließend die Presse zugefah-ren. Mit diesem Verfahren lassen sich flache,hochpräzise Formteile herstellen, die weit -gehend gratfrei entformt werden können.Bei der Kaltkanaltechnik sind die Injektions-kanäle vom Werkzeug thermisch getrennt.Durch ein gestaltungsoptimiertes und richtigtemperiertes Kanalsystem lässt sich ein Mate-rialverlust durch bereits vulkanisierte An-güsse vermeiden (Abb. 24). Dies bedeutet eine enorme Materialeinsparung, insbesondere

40 Verarbeitungsverfahren

wurde. Der Werkzeugaufbau ähnelt dem desTransfer-Moulding-Verfahrens, nur sind hierdie einzelnen Nester des Werkzeugs über Ka-näle mit dem Einspritzpunkt verbunden. DerFormgebungsprozess beginnt bei geschlosse-nem Werkzeug, in das die vorplastifizierte Mi-schung unter hohem Druck durch die Ein-spritzdüse und weiter durch die Verteiler-ka näle in die Werkzeugnester gespritzt wird(Abb. 23). In der Kautschukindustrie hat sichweitestgehend das Spritzgießen mit Schnecken-vorplastifizierung und Kolbeneinspritzungdurchgesetzt. Bei dieser Methode sind dieVorgänge des Plastifizierens und des Einsprit-zens getrennt, sodass jedes Teileaggregat be-züglich seiner Funktion optimal ausgelegtwerden kann. Durch die Vorplastifizierung istdie Mischung beim Eintritt in das Werkzeug-nest schon nahezu auf Vulkanisationstempera-tur gebracht, sodass die Vulkanisationszeitbeim Injection-Moulding-Verfahren im Ver-

Abb. 23:Prinzip des Injection Mouldings

Schnecken-vorplastifizierung

Verteiler-kanäle

Einspritz-kolben

GetrennteAggregate

Für große Pro-duktionsserien

Injection ReadyMoulding

Injection CompressionMoulding

Kaltkanal -technik

Prozessoptimierung in der Elastomerverarbeitung 43

Prozessoptimierung in der ElastomerverarbeitungBei allen Vulkanisationsprozessen ist es wichtig,die rheologischen Eigenschaften der Mischun-gen zu kennen, um die Prozessparameter opti-mal einstellen und auf das Material abstimmenzu können. In der Rheologie betrachtet man dasFließverhalten (Viskosität) und Scherverhaltenvon Materialien. Rheologie und Prozesssimula-tion gehören untrennbar zusammen, wenn es umdie Optimierung von Fertigungsprozessen undum Kosteneinsparungen in der kautschukverar-beitenden Industrie geht. Die Kenntnis der Ver-netzungsreaktion und deren Geschwindigkeitdient dem Mischungsentwickler zur Bestim-mung der Reaktionskinetik und dem Verfahrens-techniker zur Ermittlung der idealen Heizzeitsowie der Qualitätssicherung in der Produktion.Die rheologischen Daten werden für Strö-mungs- oder Füllsimulationen beim Spritzgie-ßen verwendet, um die Scherratenabhängigkeitder Viskosität zu bestimmen und anhand dieserden elastischen Anteil der Elastomerspannungzu berechnen. Die Simulation von Füllprozessenist daher ein wichtiges Hilfsmittel, um fehler-freie Bauteile herzustellen. So kann beispiels-weise der Füllfrontverlauf und die Lage von Zu-sammenfließnähten oder auch der Druckbedarfzur Auswahl eines geeigneten Spritzgießaggre-gats rechnerisch bestimmt werden. MöglicheFehlerquellen, zum Beispiel Lufteinschlüsse,können auf diese Weise frühzeitig erkannt undbehoben werden. Durch die Erweiterung univer-seller Strömungssimulationsprogramme mit op-timierten Materialmodellen zur Beschreibungder Vernetzungskinetik können auch der Scorch-Index (Fließperiode, d. h. die Zeit bis zur Ver -netzung des Elastomers) und die Vernetzungs-dichte beim Spritzguss von Elastomerbauteilenberechnet werden.


bei hochwertigen Mischungen. Durch die geschickte Gestaltung der Kanäle könnengrößere Formteile mit kleinem Querschnitthergestellt werden. Für dieses Verfahren be -nötigt man Mischungen mit sehr guter Fließ -fähigkeit. Positiver Nebeneffekt der gutenFließfähigkeit ist die Möglichkeit, gleichzei-tig die Spritzgeschwindigkeit zu erhöhen.Neben der dadurch erzielten Zeitersparnismüssen keine Kanäle mehr entformt undvom Formteil entfernt werden. Die Kalt -kanaltechnik ist mit allen Formgebungsver-fahren wie dem herkömmlichen Spritzver-fahren oder dem Injection-Ready-Moulding-Verfahren kombinierbar und erlaubt eineweitgehende Automatisierung des jeweiligenVerfahrens.

Abb. 24:Prinzip der Kalt kanaltechnik

Kühlung

IsolationObere Heizplatte

Untere Heizplatte

Schnecken-vorplastifizierung

Einspritz-kolben

Zeit- und Material -einsparung

Strömungs- oderFüllsimulationen

Berechnung desScorch-Indexes

Prozessoptimierung in der Elastomerverarbeitung 45

ding nicht nur die Fließfront und damit die Parameter, sondern es bewegen sich zusätzlichauch die Werkzeughälften gegeneinander.Der Vorteil aller Prozesssimulationen liegtdarin, dass sich Parameteränderungen und -op-timierungen am Computer innerhalb wenigerStunden oder Tage zuverlässig durchführenund überprüfen lassen. Die gewonnenen Er-kenntnisse können bereits in einem frühenEntwicklungsstadium in das Produkt- bzw.Prozessdesign einfließen. Physikalische Zu-sammenhänge und Abläufe werden bei der Si-mulation transparenter, sodass der Anwenderein tieferes Verständnis für sein Produkt bzw.seinen Prozess entwickelt, das mit ausschließ-lich experimentellen Untersuchungen nicht er-reichbar ist. Optimierungsprozesse lassen sichsomit zielgerichtet dort ansetzen, wo die größ-ten Potenziale erkennbar sind. Auf dieseWeise wird mit wenig Aufwand ein maximalesEntwicklungsergebnis erzielt.


Ein Elastomerteilchen erfährt zwischen demFüllvorgang im Zylinder der Spritzgießma-schine bis zu seiner endgültigen Position imWerkzeug eine über die Zeit veränderlicheScher- und Dehndeformation. Bei der Simula-tion müssen starke Geschwindigkeitsgradien-ten am Werkzeugrand sowie dünne Tempera-turgrenzschichten berücksichtigt werden. Dieserfordert neben speziellen Softwarepaketenauch einen erheblichen Rechenaufwand, umdie komplexen dreidimensionalen Strömungs-vorgänge zu beschreiben (Abb. 25).

Abb. 25:Füllsimulation amBeispiel einer Konusschichtfederzur Beschreibungkomplexer Strö-mungsvorgänge

Eine besondere Herausforderung stellt die Si-mulation des Compression Mouldings dar. ImGegensatz zur Spritzgusssimulation, bei derdie zeitlich veränderliche Fließfront (Verfor-mung des Rohlings bis zum vollständigen Fül-len) innerhalb eines starren Raums (festeWände des Werkzeugnests) berechnet werdenmuss, ändern sich beim Compression Moul-

ErheblicherRechenaufwand

FrühzeitigeOptimierung

Prüfung entlang der Prozesskette 47

des Druckverformungsrests kann die Qualität derElastomermischung bestimmt und ein Anhalts-punkt für die Eignung des Werkstoffs für dyna-mische oder statische Dichtanwendungen ge-wonnen werden. Neben den mechanisch-techno -logischen Eigenschaften wie Dichte, Härte, Zug -festigkeit und Bruchdehnung sind insbesonderedie physikalischen Wechselwirkungen mit Kon -taktmedien und die chemischen Materialverän-derungen durch Umwelteinflüsse relevant.Allerdings sind die reinen Kennwerte zur Be-urteilung der Gebrauchstauglichkeit wenig ge-eignet. Praxisnahe Prüfungen zu Temperatur-und Medieneinwirkungen werden üblicher-weise über verschiedene Zeiträume unter Laborprüfbedingungen simuliert. ModerneVerfahren der auf der Finite-Elemente-Me-thode (FEM) basierenden Bauteilauslegungsowie Prüfläufe unter Einsatzbedingungen imLabor ermöglichen es, die Funktion der Bau-

46

Prüfung von Elastomeren Prüfungen an Elastomeren dienen in erster Li-nie zur Werkstoffcharakterisierung, zur Über-prüfung der Funktion und zur Qualitätskon-trolle. Da die meisten Elastomereigenschaftenzeit- und verformungsabhängig sind, erfassenPrüfungen die komplexen Zusammenhängeder Elastomereigenschaften nur bedingt. Invielen Fällen können nur eingeschränkte Aus-sagen über die Eignung eines Produkts fürden vorgegebenen Einsatz gemacht werden.Daher ist neben der reinen Ermittlung derWerkstoffdaten die Bauteilprüfung im Rah-men von Feldtestläufen für eine Beurteilungder Einsatztauglichkeit des Elastomers ent-scheidend.

Prüfung entlang der ProzessketteDie genaue Kenntnis der Zusammenhängezwischen Rezeptaufbau, physikalischen Ei-genschaften und ihre Veränderungen durch Al-terungseinflüsse ist eine notwendige Voraus-setzung zur Qualitätsverbesserung der Endpro-dukte. Um eine umfassende Charakterisierungder elastomeren Werkstoffe vornehmen zukönnen, wird eine Vielzahl an Materialeigen-schaften geprüft (Abb. 26). Die Bestimmungdes Druckverformungsrests (DVR) gibt bei-spielsweise darüber Aufschluss, inwiefern dieelastischen Eigenschaften von Elastomerennach lang andauernder, konstanter Druckver-formung bei vorgegebener Temperatur erhal-ten bleiben. Der Druckverformungsrest ist da-her eine der wichtigsten Werkstoffeigenschaf-ten, die der Produktentwickler vor dem Ein-satz seiner Dichtung kennen muss. Anhand

Abb. 26:Übersicht über Prüf-methoden entlangder Prozesskette

ZugversuchHärteElastizitätDichteFestigkeitDruckverformungsrestAbrieb

Werkstoffkenndaten Basierend auf demoptimierten Werkstoff-modellFEM-BerechnungenDesignoptimierungenSimulation von stati-schen und dynamischenBelastungszuständen

Bauteilauslegung

Rheologische undthermische Werkzeug-auslegungFließverhaltenEntformungsverhaltenVerschmutzungs-eigenschaften

Verfahrenssimulation

ReaktivitätRheologische DatenPVT-DiagrammWärmeleiteigenschaften

Verarbeitungskennwerte

In LuftIn flüssigen MedienSpannungsrelaxation,KriechenLicht- und UV-Bestän-digkeitOzonbeständigkeit

Alterungsverhalten

Modul, DämpfungLebensdauerReibung, Verschleiß

DynamischeEigenschaften

TieftemperaturverhaltenKristallinitätErweichungsverhalten

ThermischeEigenschaften

Elektrische LeitfähigkeitOberflächenwiderstandDielektrizitätsverhalten

Elektrische Eigenschaften

DiffusionPermeation

Sonstige Eigenschaften

KomplexeZusammenhänge

DVR-Bestimmung Praxisnahe

Prüfungen

Bauteilsimulation mittels FEM 49

verfeinern die numerischen Materialmodelleund liefern so ein umfassendes Bild bezüglichder Lebensdauer von Elastomerdichtungen.

Bauteilsimulation mittels FEMDie Finite-Elemente-Methode dient in der in-dustriellen Produktentwicklung als Berech-nungsverfahren zur Lösung komplexer Pro-bleme der Statik, Festigkeit, Dynamik undThermodynamik. Um bei der Entwicklungtechnischer Elastomerbauteile alle Potenzialehinsichtlich Konstruktion und Verkürzung derEntwicklungszeiten auszuschöpfen und gleich-zeitig eine hohe Produktqualität sicherzustel-len, ist es erforderlich, optimierte Methodenzur Berechnung des nichtlinearen Verhaltenseinzusetzen und somit das Werkstoffverhaltenmöglichst exakt wiederzugeben. Nichtlineare FEM-Rechenmodelle sind unver-zichtbar, wenn es um die Beschreibung wichti-ger Phänomene geht, wie zum Beispiel dasBetriebsverhalten von Elastomerbauteilen, dieProzesssimulation in der Umformtechnik oderdie rechnerische Simulation von Aufprallvor-

48 Prüfung von Elastomeren

teile umfassend zu beurteilen. Eindeutige Aus-sagen über die Gebrauchstauglichkeit werdenidealerweise in Feldtests mit Bauteilproto -typen ermittelt.

Vorhersage der LebensdauerDie ermittelten mechanischen, thermischenund dynamischen Kennwerte sind die Basis fürdie Entwicklung von Materialmodellen. Hier-bei werden nicht nur die Einflüsse der Mi-schung und der Umgebung, sondern auch dasWerkstoffverhalten unter dynamischen Belas-tungen berücksichtigt. Anders als beispiels-weise bei metallischen und keramischen Werk-stoffen besteht beim Elastomer zwischen Span-nung und Dehnung kein linearer Zusammen-hang. Neben diesem nichtlinearen Verhaltenmuss die Steifigkeit des Werkstoffs in Abhän-gigkeit von der Verformungsgeschwindigkeitberücksichtigt werden. Optimierte Material -modelle, so genannte hyperelastische Material-modelle, zeigen eine gute Korrelation mit denexperimentellen Daten und behalten auch beigroßen Materialverformungen (>150 %) nochihre Gültigkeit (Abb. 27). Insbesondere die Bewertung der Alterungsbe-ständigkeit von Elastomeren ist ein wichtigesKriterium bei der Beurteilung der Lebensdauervon Dichtungen. Die Untersuchungen werdenim Allgemeinen durch Zugversuche an geal-terten Proben durchgeführt. Dabei ist zu be-achten, dass Kurzzeit- und Einpunktmessun-gen immer zu Fehlinterpretationen führen kön-nen. Die Beobachtung der Alterungsphäno-mene bei unterschiedlichen Temperaturen undZeitstufen führt dagegen zu wesentlich aus -sagefähigeren Ergebnissen und lässt eineAbschätzung des Langzeitverhaltens zu.Zusätzliche, aus Bauteilanalysen und Alte-rungsversuchen gewonnene, Informationen

Dehnung [%]

Span

nung

[MPa

]

-1-50 0 50 100 200150

0

1

2

3

Experimentelle DatenNeo-HookeMooney-RivlinOptimiertes Werkstoffmodell

Abb. 27:Vergleich verschiede-ner Materialmodellemit experimentellenDaten hinsichtlichdes Spannungs-Dehnungs-Verhaltens

HyperelastischeMaterialmodelle

Bewertung der Alterungs -beständigkeit

NichtlineareFEM-Rechen-modelle

Bauteilsimulation mittels FEM 51

Ziel bei der Entwicklung. Die auf das axial-symmetrische Bauteil wirkenden Lasten sindnicht axialsymmetrisch. Daher muss bei derBerechnung eine Kombination von Axial- undQuerlasten berücksichtigt werden. In der Si-mulation werden Spannungsspitzen im Bauteilsichtbar. Durch geeignete Anpassung des Bau-teildesigns oder teilweise durch Optimierungdes Werkstoffs können die Spannungsspitzenreduziert werden. Veränderungen im Bauteil-design haben einen enormen Effekt auf dieHöhe von Zug- und Druckspannungen. Im Fallder Faltenbälge bedeutete dies, dass die Span-nungsmaxima im Elastomer anhand von Si-mulationen dargestellt und anschließend redu-ziert wurden. Dadurch konnte die Lebensdauerum ca. 10 % gegenüber dem herkömmlichenDesign verlängert werden (Abb. 28).

50 Prüfung von Elastomeren

gängen. Zum einen werden durch die Simula-tion die physikalischen Zusammenhänge fürden Anwender transparenter, zum anderen er-laubt die frühzeitige Berücksichtigung derNichtlinearitäten im Konstruktionsprozesseine zuverlässige Absicherung der Bauteil-funktion. Simulationen mit FEM-Modellen,die das Werkstoffverhalten exakt beschreiben,können hierbei einen wertvollen Beitrag leis-ten und gewinnen zunehmend an Bedeutung.So lassen sich Topologie und Gestalt mecha-nisch belasteter Bauteile unter Berücksichti-gung geringer Dehnungen und Spannungenoptimieren.

Abb. 28:FEM-Berechnungeiner Achs -manschette. Die rot eingefärbtenFlächen markierenextreme Spannungenim Material.

Der erfolgreiche Einsatz von FEM-Berech-nungen lässt sich am Beispiel von Faltenbäl-gen verdeutlichen. Zur Abdichtung der Ge-lenkschmierung von Achsen werden Falten-bälge eingesetzt, die große Winkelbewegun-gen zulassen müssen. Neben der Erfüllung derElastizitätsanforderungen ist vor allem einelange Lebensdauer des Bauteils ein wichtiges

Absicherung derBauteilfunktion

Beispiel Faltenbälge

Ergebnis:Lebensdauer-verlängerung


dichtung erforderliche Anpresskraft, die durchden Druck des Mediums zusätzlich unterstütztwird. Bei sachgemäßem Einbau und richtigerWerkstoffauswahl können Drücke bis zu1000 bar und mehr abgedichtet werden. Mittelsmoderner Berechnungsmethoden lässt sich dasVerformungsverhalten der O-Ringe in derFunktion simulieren und die Lebensdauerdurch Designoptimierung erhöhen. Neben denklassischen O-Ringen gibt es unterschiedlicheSonderformen, die auch komplexe Bauteilgeo -metrien abdichten. O-Ringe, die im Einsatz mitheißem Wasser oder Dampf in Berührungkommen, z. B. in Armaturen, Stellventilen,Dampferzeugern, Speisepumpen, Magnetven-tilen oder in der Solartechnik, werden heuteaus EPDM oder HNBR gefertigt (Abb. 29).

52

Hightech-Produkteaus technischen ElastomerwerkstoffenTrotz des Fortschritts in den verschiedenenWerkstoffklassen sind Elastomere aufgrund ih-rer speziellen chemischen, thermischen undmechanischen Eigenschaften weiterhin die Ba-sis für technische Dichtlösungen. Durch diefeste Verbindung von Elastomeren mit Metal-len, Kunststoffen, Geweben oder anderen Ma-terialien lassen sich die werkstoffspezifischenEigenschaften der verschiedenen Materialienvorteilhaft nutzen. Dadurch entstehen multi-funktionale Elemente in Form von statischenoder dynamischen Dichtungen, Formteilen,Elastomerverbundteilen und vieles mehr.Ob in einer statischen oder einer dynamischenAnwendung – immer ist das Elastomer von ent-scheidender Bedeutung für Funktion, Lebens-dauer und Wirtschaftlichkeit der Dichtung. Jenach Anwendungsgebiet kommen noch weiterespezielle Anforderungen an die Werkstoffe hin -zu. Die Palette an Dichtungen ist breit gefächertund reicht von klassischen Rundschnurringenüber Simmerringe bis hin zu schwingungs -technischen Bauteilen mit gleichzeitiger Dicht-funktion. Einige der Produkte sollen im Folgen-den exemplarisch vorgestellt werden.O-Ringe werden überwiegend zur statischenAbdichtung ruhender Maschinenteile gegenflüssige und gasförmige Medien eingesetzt.Die Dichtwirkung des O-Rings beruht auf axi-aler oder radialer Verformung seines Quer-schnitts im eingebauten Zustand. Diese Verfor-mung wird durch entsprechende Auslegungdes Einbauraums erreicht. Die hierdurch ent-stehende Reaktionskraft ergibt die für die Ab-

Abb. 29:In der Solartechnik eingesetzte O-Ringe aus EPDM

Kombinationenmit anderenWerkstoffen

O-Ringe

Sonderformenfür komplexeBauteil -geo metrien

Klappenventile

O-Ringe aus speziellen EPDM-Compoundszeichnen sich durch eine bessere Langzeit -s tabilität, insbesondere bei hohen Temperatu-ren (bis 180 °C in Wasserdampf) aus. Um diese O-Ring-Werkstoffe in Trinkwasser einsetzenzu können, sind zusätzlich spezielle, zum Teilländerspezifische Freigaben erforderlich. Klappenventile oder mechanisch betätigte Ver-schlussventile zur Durchflussregulierung wer-


ordentlich beständig gegen Dampf sowie gegenaggressive Reinigungsmedien sein, d. h., siemüssen für CIP- und SIP-Prozeduren (CIP stehtfür Cleaning in Place, SIP für Sterilisation inPlace) geeignet sein. Aufgrund des Einsatzesim Lebensmittelbereich dürfen die Elastomerenur unbedenkliche Mischungsbestandteile ent-halten, die nach gesetzlichen Richtlinien vorge-geben sind (z. B. nach Empfehlung des BfR undFDA CFR 21 § 177.2600). Neuentwicklungenin diesem Bereich sind Hochleistungswerk-stoffe auf der Basis von EPDM, HNBR, FKMund in Spezialfällen auf der Basis von FFKM.HNBR-Compounds bieten beispielsweise sehrgute mechanische Festigkeitswerte sowie guteGleiteigenschaften. Sie werden vielfach in An-lagen eingesetzt, in denen Fette, Wachse undÖle abgesperrt oder geregelt werden, da HNBRgegenüber diesen Medien eine hohe Beständig-keit aufweist. Die Einsatztemperaturen vonHNBR-Klappendichtungen reichen von –20 °Cbis +140 °C.Membranen werden immer in Anwendungeneingesetzt, in denen Bauteile flexibel mitei -nander verbunden, Räume zwischen ihnen ge-trennt und gleichzeitig eine dichte Trennwanderrichtet werden soll. Wegen ihren vielfältigenFunktionsmöglichkeiten (fördern, stellen, re-geln, dichten, trennen, speichern) reicht ihrEinsatzbereich vom Maschinenbau über dieAutomobiltechnik, die Raumfahrt bis hin zurMedizintechnik. Die sehr unterschiedlichenAnforderungen in Bezug auf mechanische,thermische und chemische Belastungen erfor-dern in den allermeisten Fällen kundenspezifi-sche Lösungen. Membranen werden beispiels-weise in Kraftstoff oder Schmiermedien för-dernden Pumpen eingesetzt oder auch als Re-gel- und Abdichtelement in Ventilen von Ge-tränkeabfüllmaschinen. Neben hoher Bestän-digkeit gegen Medien sind darüber hinaus eine

54 Hightech-Produkte aus technischen Elastomerwerkstoffen

den tausendfach in der Getränke-, Molkerei-und Abfülltechnik eingesetzt (Abb. 30). Siesind einfach aufgebaut, robust und damit weit-gehend unanfällig gegen Störungen. Klappen-ventile müssen Drücken bis 10 bar sowieFließgeschwindigkeiten von bis zu 2,5 m/ssicher standhalten. Die Standzeit der Dichtun-gen ist ein entscheidender Faktor für die Wirt-schaftlichkeit von Klappenventilen. Bei richti-ger Werkstoffauswahl hält die Dichtung überviele tausend Schaltzyklen. Um die steigendentechnischen Anforderungen zu erfüllen, wer-den Werkstoffe benötigt, die niedrige Reib -momente beim Betätigen der Klappen ermög-lichen und ein sehr gutes Dichtverhalten in ei-nem möglichst breiten Einsatzbereich zeigen.Ein geringes Relaxieren des Elastomers bietetzudem die Gewähr, dass die Ventildichtungenauch nach längeren Zyklen unter Druckbelas-tung (Schließzustand) eine hohe elastischeRückstellkraft und damit eine hohe Langzeit-dichtheit aufweisen. Dichtungen für die Lebensmittel- und Getränke-industrie müssen neben der Beständigkeitgegen das abzudichtende Medium auch außer-

Abb. 30:Klappenventil -dichtung

Langzeit -dichtheit

Neue Hoch -leistungs -werkstoffe

Membranen

Kundenspezifi-sche Lösungen


mern, die in die gleiche Verstellrichtung arbei-ten. Mit diesem System wird das Anspringver-halten des Katalysators deutlich beschleunigt.Otto- oder Dieselmotoren erfordern aufgrundihrer unterschiedlichen Betriebstemperatur -bereiche auch unterschiedliche Elastomer -compounds für die Membranen.Dynamische Dichtungen, wie beispielsweiseSimmerringe, dienen zur Abdichtung sichbewegender Bauteile (z. B. rotierender Wel-len) und werden unter anderem in Motoren zurAbdichtung von Kurbel- und Nockenwellenoder im Antriebsstrang von Pkw und Nkw so-wie in Land- und Baumaschinen, in Industrie-getrieben, Hydroaggregaten oder auch inWaschmaschinen eingesetzt. Für Industrie-anwendungen liegt die geforderte Lebensdauerdynamischer Dichtungen zum Teil bei bis zu 40 000 Stunden. Hohe Wellendrehzahlenund damit hohe Umfangsgeschwindigkeitenverursachen trotz des Einsatzes reibungsopti-mierter Werkstoffe häufig einen extremenTemperaturanstieg an der Dichtlippe. Dieskann unter ungünstigen Umständen zur Ver-kohlung des Öls und aufgrund der Ablagerungdieser Rückstände an der Dichtkante letztlichzur Leckage führen. Daher muss ein für Sim-merringe eingesetztes Elastomer diesen hohenTemperaturen dauerhaft standhalten. Durchden verstärkten Einsatz moderner syntheti-scher Schmierstoffe in Motoren und Getriebensind die Elastomere darüber hinaus einer völ-lig andersartigen chemischen Beanspruchungals bei herkömmlichen Mineralölen ausge-setzt, sodass sie auch gegenüber neuen Öl -generationen eine sehr gute Beständigkeit auf-weisen sollten. Um rechtzeitig Funktionsprobleme zu erken-nen, können Radialwellendichtringe neuer-dings mit Zusatzfunktionen wie beispielsweiseeinem Leckagesensor ausgestattet werden.


hohe Abriebfestigkeit und gute dynamischeEigenschaften gefordert. Durch die Kombina-tion von Strukturfestigkeit (z. B. durch dieVerwendung spezieller Gewebe) und Flexibi-lität erreichen Membranen hohe bis höchsteDruck- und Dauerstandfestigkeiten. In motor-nahen Aktuatoren setzen moderne Membranenbereits kleinste Druckunterschiede in Regel-und Schaltvorgänge um. Auch unter kritischenBetriebsbedingungen, nahe an Turboladernoder in Blow-by-Gasströmen, die durch denVerbrennungsprozess im Motor entstehen, er-reichen die Membranen lange Standzeiten beidurchgehend zuverlässiger Schaltpräzision.Ein Beispiel für den Einsatz von Membranenin Aktuatoren ist die als Ladedruckventil im Fahrzeug arbeitende Zweikammerdose(Abb. 31). Sie leitet die heißen Abgase währenddes Kaltstarts und im Volllastbetrieb am Turbo -lader vorbei. Die Zweikammerdose bestehtaus zwei durch Membranen getrennte Kam-

Abb. 31:Zweikammerdose alsLadedruckregelventil

Beispiel Zwei-kammerdose

DynamischeDichtungen

Lebensdauer bis zu 40 000Stunden

IntegrierterLeckagesensor


aufschlagten Raum heraus- bzw. hineinleiten.Aufgrund großer Gestaltungsfreiheiten sindvielfältige Einsatzmöglichkeiten in der Auto-mobil- und Konsumgüterindustrie, in der Medizin- sowie in der Telekommunikations-technik möglich. Durch Miniaturisierung dieses Dichtsystems entstehen platzsparendeBauteillösungen, die durch Faltungen der flexiblen Leiterplatte in kleinste Bauräumeeingebaut werden können.Bälge und Staubkappen werden sowohl in derAutomobilindustrie als auch in der Bauma-schinenindustrie, der Elektrotechnik, der Nah-rungsmittelindustrie und der Medizintechnikeingesetzt. Im Automobil schützen diese Bau-teile Achsen, Getriebe, Stoßdämpfer oder dieLenkung. Gelenk- und Kardanwellen, aberauch Kugelgelenke in Spurstangen sowie Stabilisatoren werden mit speziellen Elasto-merbälgen gegen das Eindringen von Schmutzund Feuchtigkeit geschützt. In Gelenk -wellen eingesetzte Elastomerbälge verhinderndarüber hinaus den Verlust der Schmiermittel-füllung. Zudem müssen die Bälge Auslen -kungen von bis zu 45°, Temperatur- undMedienbelastungen sowie hohen lokalenBeanspruchungen standhalten. Die Bälge


Lässt die Dichtfunktion beim Erreichen derProduktlebensdauer nach, nimmt ein Leckage-depot die austretende Flüssigkeit auf. Ein imDichtsystem integrierter Sensor erkennt dieLeckage und meldet, wenn Wartung und Aus-tausch der Dichtung nötig werden (Abb. 32).Auf diese Weise kann ein ungeplanter Maschi-nenstillstand vermieden werden.Neue Wege werden auch in der Steuerungs-und Sensortechnik beschritten, um den Anfor-derungen nach niedrigen Leckageraten (imppm-Bereich) sowie nach Zuverlässigkeit undKostenoptimierung gerecht zu werden. DieKombination von flexibler Leiterplatten -technologie und Elastomeren zu multifunktio-nalen Dichtsystemen bildet die Basis von Produkten, die gleichzeitig dichten und elek-trische Signale ohne herkömmliche Kabel störungsfrei weiterleiten (Abb. 33). Das Systembesteht dabei aus einer statischen Dichtungmit integriertem Sensor, einem Stecker undeiner flexiblen Leiterplatte, die alle Kompo-nenten zu einer Baugruppe verbindet. Ohnezusätzliche Bohrungen, Abdichtungen undDurchführungen lässt sich mit diesem multi-funktionalen Dichtsystem ein elektrischesSignal aus einem medium- und/oder druckbe-

Abb. 32:Simmerring® mitLeckagesensor

Abb. 33:Dichtungslösungenmit integriertem Sen-sor und Stecker sindmit flexibler Leiter-platte für fast jedeKontur realisierbar.

MultifunktionaleDichtsysteme

PlatzsparendeLösungen

Bälge undStaubkappen …

… schützenempfindlicheTeile


Hydraulikzylindern von Baggern, Radlagernund Planierraupen sind besonders hohen Be-lastungen ausgesetzt. Sie müssen sowohlstarke Verschmutzungen durch Schlamm undStaub als auch große Temperaturschwankun-gen überstehen. Darüber hinaus darf dasDichtsystem nicht durch hohe Systemdrücke,insbesondere nicht durch Druckspitzen oderdurch auf den Hydraulikzylinder einwirkendeQuerkräfte, Schaden nehmen. Die neue Gene-ration von Hydraulikdichtungen zeichnet sichdurch ein hohes Rückstellvermögen auch beiextremen Kältetemperaturen aus, sodass mo-bile Hydrauliksysteme in allen Klimazonensowie auch im Winter von Beginn an ihrevolle Leistungsfähigkeit ohne nennenswerteLeckage erreichen (Abb. 35).Ein weiteres Einsatzgebiet technischer Elasto-merwerkstoffe ist die Schwingungstechnik.Schwingungen treten überall dort auf, wo An-fahrtsmomente, Unwuchten oder das Einwir-ken von äußeren Kräften und Drehmoment -spitzen eine Rolle spielen. Dabei verursachendie dadurch hervorgerufenen Vibrationen nichtnur Lärm, sondern sie belasten auch die Kom-ponenten des Antriebsstrangs, sodass derenLebensdauer deutlich sinken kann. Motoren,


bestehen aus einem beweglichen Mittelteil undzwei Anschlüssen. Entsprechende Verschluss -elemente sorgen für einen passgenauen Sitzund stellen die erforderliche Dichtheit sicher.Die Auslegung eines Balgs richtet sich nachdem jeweiligen Gelenktyp und dem spezi -fischen Anforderungsprofil des Kunden.Aufgrund der unterschiedlichen Beanspru-chung von Fest- und Verschiebegelenken(Rad- und Getriebeseite) werden für derenAbdichtung unterschiedliche Elastomerwerk-stoffe ver wendet. Gelenkwellenbälge für Fest-gelenke werden vorzugsweise aus thermo -plastischen Elastomeren (TPE) gefertigt, wäh-rend Gelenkwellenbälge für Verschiebegelenkemeist aus Chloropren-Kautschuken bestehen(Abb. 34).Aufgrund der gestiegenen Leistungsdichte beiHydraulikaggregaten lassen sich die Anforde-rungen an leistungsfähige, leckagefreie Kom-ponenten nur mit speziellen Dichtsystemen er-füllen, die zudem über eine lange Lebensdauerverfügen. Die dort eingesetzten Dichtsystemebestehen meistens aus einer Kombination ge-nau aufeinander abgestimmter Dichtelementewie Abstreifer, Nutring, Führungsband, Stütz-ring und Stangendichtung. Dichtelemente in

Abb. 34:Elastischer Schutz-balg für Antriebs -wellen

Abb. 35:Dichtsystem fürHydraulikzylinder

Dichtsystemefür Hydraulik -aggregate

Hohes Rück-stellvermögen

EinsatzgebietSchwingungs-technik

63

Ausblick Aufgrund ständig steigender Anforderungenan die Dichtungswerkstoffe in Bezug auf Le-bensdauer, Reibung, Verschleiß, Medien- undTemperaturbeständigkeit sowie immer enger ge -fasster Spezifikationen ist es für die Dichtungs -hersteller zwingend notwendig, sich mit denMaterialien und den lebensdauerbeeinflussen-den Faktoren intensiv auseinander zu setzen.Nur so können moderne Elastomerwerkstoffeentwickelt werden, die höchste Funktions -ansprüche erfüllen. Für Motoren und Getriebezeigt sich ein Trend hin zu einem breiterenTemperatureinsatzbereich (von –40 °C bis+175 °C) und zum Einsatz von vollsyntheti-schen Schmiermedien. Zu diesen steigendenAnforderungen kommen neue, strengere ge-setzliche Regelungen hinzu. Ein Beispiel dafürist die Vorschrift, dass Kraftfahrzeuge zukünf-tig keine flüchtigen Kohlenwasserstoffverbin-dungen mehr emittieren dürfen (»Zero Emis-sion Vehicle«). Die Herstellung von anwendungsoptimiertenPolymeren ermöglicht eine erhebliche Erwei-terung des Anwendungsspektrums von Elasto-mercompounds. So wurden beispielsweise fürdie neue Generation von Wellendichtungenmaßgeschneiderte ACM-Polymere entwickelt,die über einen um 15 °C erweiterten Tempera-tureinsatzbereich verfügen (von –40 °C bis+175 °C) und damit die bereits genannten An-forderungen der Automobilindustrie erfüllen.Mit speziellen Rezeptformulierungen lassensich neue Werkstoffe mit verbesserter Ver-schleißfestigkeit und Alterungsbeständigkeitentwickeln, welche die Lebensdauer des Bau-teils erhöhen. Durch die wachsende Bedeutung der Elektro-nik generell sowie durch die Zunahme von elek-


Getriebe, Antriebswellen oder Kupplungen mitnachgeschalteten Maschinen beeinflussen sichdabei gegenseitig. Im Fahrzeug werden dieSchwingungen auf das Fahrgestell und die ge-samte Karosserie übertragen, was zu einerVerschlechterung des Fahrkomforts bis hin zurInstabilität führen kann. Der Frequenzbereichder Schwingungen im Fahrzeugbereich er-streckt sich von ca. 1 Hz bis über 1000 Hz.Elastomere Bauelemente sorgen im Span-nungsfeld von Isolation und Dämpfung dafür,dass die Motoren und die Wellen in den An-triebssträngen vibrations- und geräuscharmlaufen. Hydrolager als elastomere Entkopp-lung mit hydraulischer Dämpfung können auf-grund ihrer besonderen Konstruktion sowohlniederfrequente Schwingungen dämpfen alsauch hochfrequente Anregungen isolieren. Hydrolager (Abb. 36), die als Kabinenlager

Abb. 36:Motorlager mit integ rierter hydrau -lischer Dämpfung(Hydro lager)

bei Land- und Baumaschinen eingesetzt wer-den, verbessern den Benutzerkomfort undschaffen gleichzeitig die Voraussetzung zurErfüllung der gesetzlichen Lärm- und Schwin-gungsrichtlinien sowie der Arbeitssicherheits-richtlinien.

Hydrolager alsDämpfungs -element

Höchste Funktions -ansprüche

Strenge Gesetze

Maß -ge schnei derte Elasto mere

Ausblick 65

spielen Themen wie die Gaspermeation odersehr hohe chemische Reinheitsanforderungeneine wesentliche Rolle. Die Dichtungen müs-sen dementsprechend gasundurchlässig seinund eine hohe chemische Beständigkeit gegendie in der Brennstoffzelle anfallenden Reak-tionsprodukte aufweisen. Der Trend zu multifunktionalen Dichtungsmo-dulen in Verbindung mit modernen Verarbei-tungstechnologien ermöglicht die Herstellungfiligraner und komplexer Bauteile. Ein profun-des Werkstoffverständnis sowie der Einsatzmoderner Berechnungsverfahren wie FEMund leistungsfähiger Zeichnungs- und Kon-struktionsprogramme wie CAD werden zukünf -tig die Entwicklung innovativer Elastomerwerk-stoffe, welche die hohen Anforderungen bezüg-lich Qualität, Leistungsvermögen und Lebens-dauer erfüllen, noch weiter beschleunigen.

64 Ausblick

trischen Antrieben entstehen neue Dichtkon-zepte, die sich durch das Integrieren zusätz-licher Funktionen in die Dichtung auszeich-nen. Diese Konzepte ersparen einzelne Kom-ponenten, reduzieren somit Bauraum, vermin-dern das Gewicht und vereinfachen letztlichauch die Montage für den Anwender. So gibtes schon heute Simmerringe mit Elastomer-Encoderelementen und aktiven Sensoren zurDrehzahlmessung im Automobil, insbesonderein ABS-Systemen. Die Dichtungen verfügenüber eine auf der Außenseite axial oder radialaufgebrachte magnetisierbare und sektorweisecodierte Elastomerschicht (siehe Umschlag-bild). Ein Feldsensor erfasst die unterschied-lichen Intensitäten entlang des Magnetfeldsund liefert so ein Signal für die Drehzahl. Zusätzlich muss ein weiterer Aspekt – dieelektromagnetische Abschirmung – in Zukunftstärker berücksichtigt werden. Die Zunahmeder im Automobil eingesetzten elektrischenSysteme führt zu elektromagnetischen Inter -ferenzen, die für Funktionsstörungen der Bau-teile verantwortlich sind. Durch die Entwick-lung elektrisch leitfähiger Elastomere lassensich elektrostatische Aufladung und störendeWechselwirkungen elektrischer Komponentenuntereinander vermeiden. Dichtungen auselektrisch leitfähigen Elastomerwerkstoffenkönnen zukünftig im Bereich der Sensortech-nik oder der Kommunikationselektronik zumEinsatz kommen.Als wichtige Zukunftsstrategie gilt die Ent-wicklung der Wasserstoff- und Brennstoffzel-lentechnologie. Mit ihr verbinden sich dieHoffnungen, Energieverbrauch und Kohlen-dioxidemissionen in den Bereichen Verkehrund Energieversorgung deutlich zu verringern.Brennstoffzellensysteme stellen allerdingsganz andere Anforderungen an die Dichtungenals herkömmliche Verbrennungsmotoren. So

IntegrationzusätzlicherFunktionen

Elektrisch leitfähige Elastomere

Brennstoffzelle

Schlüssel: Werkstoff-Know-how

Fachbegriffe/Literatur 67

Rheologie Wissenschaft, die sich mit dem Verformungs- und Fließverhaltenvon Materie beschäftigt.

Scorch-Index Fließperiode, d. h. die Zeit, bis die Vernetzung des Elastomerseinsetzt.

Simmerring® Radialwellendichtring; eingetragenes Warenzeichen von Freu-denberg.

Spannungsrelaxation Die zeitliche Abnahme der Spannung bei konstanterVerformung und Temperatur.

Thermoplaste Kunststoffe, die sich unter dem Einfluss vom Wärme plastischverformen lassen. In der Regel bestehen Thermoplaste aus Polymeren mitlinearen oder wenig verzweigten Kettenmolekülen.

Viskoelastizität Die zeit-, temperatur- und geschwindigkeitsabhängige Elasti-zität von polymeren Schmelzen oder Festkörpern (Kunststoffe).

Vulkanisation Verfahren, bei dem der Kautschuk durch Änderung seinerchemischen Struktur in einen gummielastischen Zustand überführt wird; auchVernetzung genannt.

66

FachbegriffeAgglomerate Zusammengelagerte Partikel, die aus einer Vielzahl von Einzel-partikeln bestehen und einen Durchmesser im Größenbereich von 50 bis 100 Nanometer (nm) aufweisen können.

Amorph Materialien, bei denen die Atome keine geordneten Strukturen, son-dern unregelmäßige Muster ausbilden, bezeichnet man als amorph. Regelmä-ßig strukturierte Materialien heißen im Gegensatz dazu kristallin.

Batch-off-Anlage Dem Mischprozess nachgeschaltete Anlage, welche dieAufgabe hat, das Elastomerfell zu kühlen.

Brownsche Molekularbewegung Phänomen, das die thermisch getriebene Eigenbewegung der Moleküle beschreibt.

Drehmoment Produkt aus Kraft und dem senkrechten Abstand ihrer Wir-kungslinie vom Drehpunkt.

Diffusion Ausgleich eines Konzentrationsunterschieds von gasförmigen odergelösten Stoffen, bei dem sich die Teilchen temperaturabhängig von der höhe-ren zur niedrigeren Konzentration bewegen.

Duromere Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung nicht mehr verformt werdenkönnen; auch Duroplaste genannt.

Elastomere Polymere Netzwerke, die in der Lage sind, reversibel große Ver-formungen zu absorbieren; vulkanisierter Kautschuk.

E-Modul Das Zug-E-Modul drückt das Verhältnis zwischen Zugspannung undZugdehnung aus und beschreibt die Steifigkeit des Elastomers.

Entropie Thermodynamische Größe, die die molekulare Beweglichkeit (Un-ordnung) eines Systems beschreibt.

FEM Abkürzung für Finite-Element-Methode; ein Verfahren der numerischenMathematik.

FMEA Abkürzung für Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse. Die FMEAist eine analytische Methode, um potenzielle Schwachstellen zu finden.

Glasübergangstemperatur Temperatur, bei der Polymere vom gummielasti-schen, flexiblen Zustand in den hartelastischen, spröden Zustand übergehen.Sie ist für jedes Polymer spezifisch.

Grat Ein beim Formgebungsverfahren entstehender hervorstehender Rand desElastomers.

Kautschuk (indian. cao = Baum und ochu = Träne) Sammelbegriff für unver-netzte, elastische Polymere.

Kriechen Temperatur- und zeitabhängige Verformung von Werkstoffen beilangzeitig wirkender, konstanter mechanischer Belastung.

Polymer Makromolekül, das aus gleichartigen Einheiten (Monomere) aufge-baut ist. Ein Polymer kann aus linearen oder verzweigten Molekülen bestehen.

LiteraturFreudenberg Forschungsdienste KG: Elastomere Werkstoffe. Eigenverlag 2001

Hirsch, V.; Schneider, E.; Weiß, R.: »Numerische Berechnungen für Dichtun-gen und Bauteile.« MTZ, Jhrg. 65, 10/2004, S. 812 ff.

Kaczmarek, M.; Rieg, F.: Taschenbuch der Maschinenelemente. Hanser undFachbuchverlag Leipzig, 2006

Krompf, W.: »Membrantechnik für motornahe Aktuatoren.« MTZ, Jhrg. 66,4/2005, 288 ff.

Mars, W.V.: »Factors that affect the fatigue life of rubber: a literature survey.« Rubber Chemistry and Technology, Vol. 77, Issue 3, 2004, S. 391

Priebe, N.: »Kontinuierliches Mischen von Kautschukmischungen.« KGK –Kautschuk, Gummi, Kunststoffe, 58. Jhrg., 03/2005, S. 102–108

Röthemeyer, F.; Sommer, F.: Kautschuktechnologie. Hanser Verlag, 2001

von Arndt, E.; Bußmann, M.: »Gleiche Mischungsqualität von verschiedenenProduktionsstandorten – Qualitätssystem eines multinationalen Gummiver -arbeiters.« VDI-Jahrestagung Mischen Extrudieren Spritzgießen, 2000

68 Anhang 69

ECO Ethylenoxid- • Gute Beständigkeit gegen Hydrin®, Membranen, Formteile,Epichlor- Kraftstoffe, Mineralöle Herclor®, Motorlager im Automobilhydrin- und -fette Epichlomer®

Kautschuk • Gasundurchlässig• Kälteresistent

HNBR Hydrierter • Gute Öl- und Benzin- Therban®, Radialwellendichtringe,Acrylnitril- beständigkeit wie bei NBR, Zetpol® Dämpfer, Tilger, Butadien- jedoch höhere Temperatur- Membranen, Hydraulik- Kautschuk beständigkeit und Pneumatikteile,

• Gute Alterungs- Präzisionsformteile,beständigkeit O-Ringe in der Antriebs-

• Gute Abrieb- und und Elektrotechnik,Verschleißeigenschaften aber auch im Sanitär-

und TrinkwasserbereichACM Acrylat- • Ausgezeichnete Hitze-, Nipol AR®, Radialwellendichtringe,

Kautschuk Ozon- und Alterungs- Hytemp®, O-Ringe, Flachdich-beständigkeit Noxtite® tungen, Formteile für Ge-

• Sehr gute Ölbeständigkeit triebe im Kfz-Bereich; für• Hohe Dämpfung den Öl- und Kühlmittel-

kreislaufAEM Ethylen- • Ausgezeichnete Hitze- und Vamac® Dämpfer, Tilger, Flach-

Acrylat- Witterungsbeständigkeit dichtungen für GetriebeKautschuk • Hohe Ozonbeständigkeit im Kfz-Bereich, für den

• Hohe Dämpfung Öl- und Kühlmittelkreislauf• Mittlere Ölbeständigkeit

FKM Fluor- • Sehr gute Öl- und Viton®, Radialwellendichtringe,Kautschuk Chemikalienbeständigkeit Fluorel®, O-Ringe, Membranen,

• Extreme Hitze- und Tecnoflon®, Formteile, PräzisionsteileWitterungsbeständigkeit Dai-El®, im Motorenbau, in Hydrau-

• Schlechte Kälteeigenschaf- Noxtite® lik, Chemie- und Prozess-ten unterhalb von –20 °C technik sowie Luftfahrt(Ausnahme: Spezialtypen)

FFKM Perfluor- • Ausgezeichnete Kalrez®, Radialwellendichtringe,Kautschuk Medienbeständigkeit Simriz® O-Ringe, Membranen,

• Extreme Hitze- und Formteile, Präzisionsteile Witterungsbeständigkeit in der Chemie- und

• Spezialtypen bis –20 °C Prozesstechnik, Raum-beständig fahrt bzw. gegen aggres-

sive Medien und DampfVMQ Methyl- • Extreme Hitzebeständigkeit Silopren®, Präzisionsteile, O-Ringe,

Vinyl- • Ausgezeichnetes Tief- Silastic®, Flachdichtungen,Polysiloxan temperaturverhalten Elastosil® Membranen für Medizin-

bis –60 °C technik• Niedrige Festigkeit

FVMQ Fluormethyl- • Hohe thermische, Silastic®, Formteile, Membranen Vinyl- Alterungs-, Ozon- und FluorSilicon® etc., überwiegend für Polysiloxan Witterungsbeständigkeit Luftfahrt

PVMQ Phenyl- • Sehr gute Tieftemperatur- GE-Sil®, Formteile, O-Ringe, Vinyl- beständigkeit, Ozon-, UV- Silastic®, MembranenPolysiloxan und witterungsbeständig Silopren®,

Elastosil®AU Polyester- • Gute Alterungs- und Adiprene®, Pneumatik- und Hydrau-

Urethan Ozonbeständigkeit Pellethan® likdichtungen für allgemei-• Hohe Reiß- und Verschleiß- nen Maschinenbau, Land-

festigkeit und Baumaschinen, Fördertechnik

Kurz- Chem. Be- Eigenschaften Handels- Anwendungzeichen zeichnung nameNR Natur- • Hohe statische und – Schwingungsdämpfer,

kautschuk dynamische Festigkeit Tilger, Motorlager,• Sehr niedrige Dämp- Maschinenlager,

fung (= hohe Elastizität) Kupplungen im Auto-• Sehr gutes Tief- mobil und Maschinen-

temperaturverhalten bau sowie Schifffahrt• Geringe Alterungs-, Ozon-

und ÖlbeständigkeitSBR Styrol- • Mittlere Elastizität Buna SL®, Formteile, O-Ringe,

Butadien- • Sehr gute Abrieb- und Europrene®, Membranen, TilgerKautschuk Verschleißfestigkeit Solprene®, sowie in Reifen im Kfz,

• Mäßige Alterungs- Dunatex® als Förderbänder,beständigkeit Schläuche oder Fuß-

• Keine Ozon-/Ölbeständigkeit bodenbelägeCR Chlor- • Gute Hitze-, Witterungs- Neoprene®, Faltenbälge, Staub-

Butadien- und Ozonbeständigkeit Baypren® kappen, Brems-Kautschuk • Mittlere Ölbeständigkeit schläuche, Dämpfer im

• Neigung zur Kristallisation Automobil, allgemeine bei T < 0 °C und Bauindustrie

EPDM Ethylen- • Sehr gutes Hitze- und Dutral®, O-Ringe, Formteile,Propylen- Witterungsverhalten Nordel®, Lagerelemente inDien- • Hohe Ozonbeständigkeit Buna EP®, Lebensmittel- undKautschuk • Sehr gute Abrieb- und Keltan®, Getränkeindustrie sowie

Verschleißfestigkeit Vistalon® im Automobil gegen• Sehr gutes Kälteverhalten Bremsflüssigkeiten• Hohe Heißwasser- und

Dampfbeständigkeit• Nicht ölbeständig

NBR Acrylnitril- • Gute Ölbeständigkeit Perbunan®, Radialwellendichtringe, Butadien- • Gute Dämpfung (mit Nipol®, Dämpfer, Tilger,Kautschuk steigendem ACN-Gehalt) Europrene®, Membranen, Hydraulik-

• Gute Abrieb- und Buna N® und Pneumatikteile,Verschleißeigenschaften Präzisionsformteile,

• Schlechte Ozon- O-Ringe in der Antriebs-beständigkeit und Elektrotechnik,

• Mäßige Alterungs- in der Lebensmittel-beständigkeit industrie, für Isolierung

• Mäßige Kälteeigen- gegen Kälteschaften in Abhängigkeit vom ACN-Gehalt

IIR Butyl- • Ausgezeichnete Hitze-, Esso Butyl®, Membranen, O-Ringe fürKautschuk Ozon- und Witterungs- Polysar Butyl® Heißwasser und Dampf-

beständigkeit anwendungen• Chemische Beständigkeit

gegen Säuren, Heiß-wasser, Glykol

• Gasundurchlässig• Gute Kältebeständigkeit• Hohe Dämpfung, stark

temperaturabhängig

AnhangChemische Bezeichnung und Anwendungsbeispiele

70 Anhang

Der Partner dieses Buches

Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KGHöhnerweg 2–469465 WeinheimInternet: www.FST.com

Freudenberg Sealing Technologies ist Teil des breit diversifizierten,international tätigen Familienunternehmens Freudenberg. Der Tech-nologiespezialist entwickelt, produziert und liefert für die Kunden inder Automobil-, der Zulieferer- und der Allgemeinen Industrie einebreite Palette an dichtungstechnischen Lösungen – von der in engerZusammenarbeit mit den Kunden entwickelten Einzellösung bis hinzu weltweit standardisierten, kompletten Dichtungspaketen. Allewichtigen Automobilhersteller, großen Zulieferer und mehr als15 000 Kunden in der Allgemeinen Industrie beziehen Dichtungenvon Freudenberg.

Seit 1960 ist Freudenberg an der japanischen NOK beteiligt. Beide Part-ner arbeiten insbesondere in der Dichtungstechnik eng und erfolgreichin einem globalen Netzwerk zusammen. Sie haben eine Vielzahl vonGemeinschaftsunternehmen in aller Welt gegründet und ihre Unterneh-mensstrukturen aufeinander abgestimmt. Meilensteine der Globalisie-rung waren die Gründung der Freudenberg-NOK General Partnership,Plymouth/USA, im Jahr 1989 sowie der NOK Freudenberg Asia Hol-ding im Jahr 1996. Gemeinsam verfügen die Partner über mehr als 50 Produktionsstätten weltweit.

Der Simmerring®, 1929 bei Freudenberg durch Prof. Walther Simmerentwickelt, war die Grundlage des heute mehr als 80 000 unterschied -liche Produkte umfassenden dichtungstechnischen Sortiments. Dabeientstand eine Vielzahl an wegweisenden Innovationen. Heute überneh-men Dichtungen unter anderem Zusatzfunk tionen, um Signale an dasBremssystem oder die Motorsteuerung zu übermitteln.

Innovationen in der Dichtungstechnik sind undenkbar ohne eine tiefeKenntnis der Elastomere. Bei Freudenberg arbeiten rund 250 Expertenweltweit in der Werkstoffentwicklung. Das Unternehmen setzt mehr als1600 verschiedene Compounds und mehr als 850 verschiedene Roh-stoffe ein. Modernste Analysemethoden und eigene Modelle zur Berechnung und Simulation von Werkstoffverhalten tragen dazu bei,Dichtungen von Freudenberg Sealing Technologies immer weiter zu verbessern.

Einsatz von Elastomerwerkstoffen in verschiedenen Dichtmedien

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Grundwissen mit dem Know-how Technische Elastomerwerkstoffe-d-,com/products/material... · 9 Elastomere und ihre Eigenschaften Die ASTM-Norm D 1566 (ASTM; American Society for Testing