Terminologie der Elastomere

Auf dieser Seite finden Sie die wichtigsten Begriffe für die Beschreibung von Elastomeren.

Chemische Eigenschaften
Alle Elastomertypen sind für chemische Angriffe verschiedenen Ausmaßes anfällig. Die Verträglichkeit von Kautschuk in einer spezifischen Umgebung ist sowohl von der Polymerstruktur als auch von der Art seiner Zusammensetzung abhängig.  Chemische Unverträglichkeit kann verschiedenartige Wirkungen auf den Gummiverbund haben, die von der genauen Form des chemischen Angriffs abhängen und zudem durch erhöhte Temperaturen verstärkt oder beschleunigt werden. Die physikalischen Auswirkungen manifestieren sich als:
- Versprödung und Härten
- Erweichen und klebrig werden
- Aufquellen
- Volumenverlust
Am häufigsten tritt die Quellung auf. Gründe dafür sind Löslichkeit oder ein chemischer Angriff, durch den sich die Polarität des Elastomers verändert. Selbst wenn die Ausdehnung des Volumens eventuell zurückgeht, können die Auswirkungen auf das Polymer bleibender Natur sein.

Versprödung und Aushärten sind Anzeichen einer vermehrten Vernetzung, und eine Erweichung ist ein Hinweis auf die Zersetzung der Polymermatrix/Vernetzung. Volumenverlust ist für gewöhnlich mit einer Abgabe von Weichmachern und Prozesshilfsmitteln verbunden. Das Material verliert dadurch an Biegsamkeit.

Wärmeausdehnungskoeffizient
Alle Werkstoffe (mit sehr wenigen Ausnahmen) dehnen sich mit steigender Temperatur aus. Die Ausdehnungsrate eines Werkstoffs gehört zu seinen charakteristischen Eigenschaften. Der Wert wird durch die lineare oder volumetrische Ausdehnung ausgedrückt, die bei jeder Längen- oder Volumeneinheit für jedes Grad Temperaturanstieg auftritt.

Komprimierende Eigenschaften

• Druckverformungsrest Eine Größe, welche die Elastizität eines Materials nach längerer Kompression unter Umgebungsbedingungen oder bei erhöhten Temperaturen beschreibt. Der Druckverformungsrest wird oft als Maß für den Vulkanisationsgrad oder die Vernetzungsdichte verwendet. Er wird zunehmend auch bei Dichtungsanwendungen angeführt, um die Werkstoffeigenschaften ins Verhältnis zur Verhinderung von Leckagen setzen zu können, wenn eine Erholung der Dichtungsform nach einer Verformung erforderlich ist.  Physikalische und chemische Veränderungen eines Elastomers bei erhöhten Temperaturen können verhindern, dass sich das Elastomer bei der Entlastung der aufgebrachten Druckspannung erholt und seine ursprüngliche Form vollständig wiedererlangt. Das Ergebnis wird als „Verformungsrest“ bezeichnet und als Formverlust in prozentualem Verhältnis zu seiner ursprünglichen Bemaßung beschrieben.  Die Norm ASTM D395 definiert zwei verschiedene Prüfverfahren (A und B).  Methode A wird nicht oft herangezogen, bezieht sich aber auf eine konstante Belastung.  Methode B ist die gebräuchlichste Methode. Hier wird eine Probe mit spezifischen Abmessungen zu einer festen Biegung zusammengedrückt. Nachdem sie erhöhten Temperaturen ausgesetzt wurde, wird die Probe aus der Fixierung gelöst und ruht dann unter Umgebungsbedingungen, bevor die endgültigen Maße abgenommen werden. Eine weitere, weniger gängige und durch die Norm ISO 815 vorgegebene Prüfung sieht ein Abkühlen der Proben in komprimiertem Zustand vor.
• Druckspannungsrelaxation:Elastomere sind viskoelastische Materialien, die sich im Grunde genommen wie elastische Feststoffe, aber gleichzeitig auch wie viskose Flüssigkeiten verhalten. Durch die dauerhafte Verformung eines Elastomers können sich die innere Struktur des Materials und infolgedessen auch seine Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften unter Belastung verändern.  Bei der Komprimierung wird die Energie gleichzeitig im Material gespeichert und abgebaut, d. h. es treten sowohl elastische als auch viskose Effekte auf.  Demnach erzeugt ein Elastomer beim Komprimieren eine Reaktionskraft (oder „Dichtkraft“). Mit der Zeit wird die gespeicherte Energie jedoch abnehmen, und die anfängliche Dichtkraft lässt nach. Dieses Nachlassen der Dichtkraft wird auch „Druckspannungsrelaxation“ (CSR) genannt. CSR wird in der Dichtungsbranche manchmal auch als die verbliebene Dichtkraft bezeichnet. Dieses Phänomen kann durch die Einwirkung von Chemikalien und/oder erhöhten Temperaturen beschleunigt werden, die das Polymerrückgrat oder das Vernetzungssystem angreifen.  Bei der Bestimmung der CSR wird ein Standard-Prüfstück mit einer konstanten Belastung komprimiert und die Kraft gemessen, die das Prüfstück in bestimmten Zeitabständen unter vorgegebenen Bedingungen ausübt. Die abklingende Kraft wird als prozentualer Anteil der anfänglichen Gegenkraft ausgedrückt.
• Kompressionsmodul: Der Kompressionsmodul ist eine wichtige physikalische Eigenschaft von Elastomeren und ausschlaggebend für das Maß an Spannung, die ein Werkstoff bei einer bestimmten Stauchung zeigt.  Die Bestimmung des Moduls wird auch als „Prüfung der Durchbiegung unter Last“ bezeichnet.  Die Testergebnisse hängen stark von den Abmessungen des Prüfstücks ab, da sich bei der Prüfung von Elastomeren der Formfaktor
  bemerkbar macht. Der Formfaktor ist das Verhältnis der Oberfläche des Prüfstücks zum Anteil der Fläche, die sich „frei aufwölben“ kann.
  Es sei darauf hingewiesen, dass ein Prüfstück mit einer großen Oberfläche und einem niedrigen Wert für die „freie Aufwölbung“ einen schnellen Anstieg des Moduls zeigt.

Explosive Dekompression
Das Eindringen eines Gases in ein Elastomer unter Hochdruckbedingungen muss nicht unbedingt eine langfristige Wirkung haben, vorausgesetzt der Druck wird allmählich entlastet, damit das Gas aus dem Elastomer austreten kann. Wenn der Druck jedoch schnell aufgehoben wird, kann sich das komprimierte Gas plötzlich ausdehnen und das Elastomer auf katastrophale Weise zerreißen. Es bedarf spezieller Elastomer-Compounds, um diese Wirkung aufzuheben, wobei die Werkstoffmischungen zumeist sehr hart sind. Auf Seite 8 finden Sie weitere Informationen über die Prüfungen auf Explosive Dekompression.

Reibung, Verschleiß und Abrieb
Die Verschleißfestigkeit eines Kautschuks, wenn seine Oberfläche einer mechanischen Wirkung ausgesetzt wird. Sie wird normalerweise in Form eines Index für den Abriebwiderstand (ARI) angegeben, der sich auf einen Standardkautschuk bezieht und auf alle Verfahren anwendbar ist.

• Reibung: Reibung definiert sich als der Widerstand beim Gleiten von einem Material auf einem anderen. Die Prüfung der Reibungseigenschaften von Elastomeren findet man vorwiegend in der Reifenindustrie. Sie kann in zwei Kategorien unterteilt werden: Haftreibung und Gleitreibung. Bei diesen Tests wird typischerweise ein „Schlitten“ aus einem Werkstoff mit zusätzlichen Gewichten beschwert, um eine Normalkraft zu erzeugen. Dieser Schlitten wird dann über eine Fläche mit einer bekannten Oberflächenbeschaffenheit geschoben. Die resultierende Widerstandskraft lässt sich mit Hilfe des Reibungskoeffizienten (μ) durch Anwendung der Formel F = μR bestimmen. Dabei ist F der Widerstand und R die Normalkraft. Diese Methode hat zahlreiche Schwachpunkte, da sie sich auf Elastomere nicht vollends anwenden lässt, aber die Werte können für einen Vergleich herangezogen werden.
• Abriebbeständigkeitsindex: Die Darstellung der Abriebbeständigkeit als Verhältnis von Volumenverlust eines Standardkautschuks zum Volumenverlust einer zu prüfenden Kautschukart wird unter identischen festgelegten Bedingungen ermittelt und als Prozentsatz ausgedrückt. Bei dieser Prüfung wird der Gummi mit einem scheuernden Tuch auf einem Drehzylinder entfernt. Der Volumenverlust beim zu prüfenden Kautschuk errechnet sich anhand des Wertes, der sich beim Entfernen von 200 mg des entsprechenden Standardkautschuks unter identischen Prüfbedingungen ergibt.

Härte
Der Widerstand einer Werkstoffoberfläche gegen das Eindringen eines Prüfkörpers von bestimmter Größe bei einer festgelegten Last. Die Härteeigenschaft eines Elastomers wird durch zwei gängige Systeme wiedergegeben (die nicht notwendigerweise übereinstimmen):

• IRHD-Härten (Internationaler Gummihärtegrad, International Rubber Hardness Degree): Wird anhand der Eindringtiefe eines festen kugelförmigen Körpers in ein Prüfstück bei einer vorgegebenen ruhenden Belastung gemessen. Mit einer vereinfachten Version dieses Messinstruments für Eigengewichte können Messungen kleiner Querschnitte und Dicken nach dem IRHD-Verfahren „M“ vorgenommen werden.  Bei gewölbten Flächen wird häufig eine „scheinbare Härte“ angegeben, da die Werte nach IRHD und Shore A tendenziell schwanken, wenn über kleine gerundete Oberflächen gemessen wird, wie beispielsweise bei
  O-Ringen
.
• Shore-Härten: Die Prüfgeräte zum Messen der Härte werden oft als Durometer (Typ A oder D) bezeichnet. Beide Typen arbeiten mit einer kalibrierten Feder, durch deren Wirkung ein bestimmter Körper ein Prüfstück durchdringt.  Die Härtewerte werden in
  Grad von 0 (unendlich weich) bis 100 (knochenhart) angegeben.

Wärmebeständigkeit und beschleunigte Alterung
Kontrollierte Degradierung durch Luft mit hohen Temperaturen und atmosphärischem Druck mit anschließender Messung der physikalischen Eigenschaften und Vergleich mit ungealterten Prüfstücken. Bei den typischerweise gemessenen Eigenschaften handelt es sich um Veränderungen in Härte, Reißdehnung, Bruchfestigkeit und Spannung bei verschiedenen Belastungen.  Wärmebeständigkeit und beschleunigtes Altern stehen auch in Zusammenhang mit dem „Ausgasen“, das auftritt, wenn ein Elastomer unter Einwirkung hoher Temperaturen erstmalig einige Prozessöle oder Polymerfragmente mit niedrigem Molekulargewicht abgibt. Bei manchen Anwendungen kann diese Abgabe von Polymerarten mit kritischen Komponenten oder Prozessen interferieren. In der Regel kann der Gewichtsverlust anhand einer thermogravimetrischen Analyse (TGA) gemessen werden, häufig in Kombination mit weiteren Geräten, sofern die spezifischen Bestandteile der Gewichtsabgabe ermittelt werden müssen.

Beständigkeit bei Niedertemperaturen
Die Beständigkeit bei Niedertemperaturen hängt bei allen Elastomeren von der Glasübergangstemperatur (Tg) des Werkstoffs ab. Dabei handelt es sich um diejenige Temperatur, bei deren Unterschreiten das Elastomer von einem gummiartigen in einen glasartigen Zustand übergeht. Es ist davon auszugehen, dass Zugfestigkeit, Härte, Modul und Druckverformungsrest eines Elastomers zunehmen, je mehr es sich seiner Glasübergangstemperatur nähert. Die Tg eines Elastomers hängt vorrangig von der Polymerstruktur ab, kann aber durch die Zugabe von Ölen leicht modifiziert werden.  Es gibt viele Verfahren, um die Leistung eines Elastomers bei kalten Temperaturen festzustellen. Die Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) ist die gängigste Vorgehensweise, um den Bereich des Glasübergangs einzugrenzen. Bei dieser Methode werden genaue Messungen von Enthalpieveränderungen der Werkstoffe über einen vorgegebenen Temperaturbereich vorgenommen. Die Analyse dieser Daten ermöglicht die exakte Bestimmung des Glasübergangs.  Andere Prüfverfahren konzentrieren sich auf eher physikalische Größen. Bei der Temperatur-Retraktion (TR) wird beispielsweise ein gedehntes Standard-Teststück in ein Bad mit einer Temperatur von -70° C eingetaucht, bis es starr wird. Anschließend lässt man das Prüfstück sich ungehindert zusammenziehen und erhöht währenddessen die Temperatur um 1° C pro Minute. Die Temperatur, bei der sich das Prüfstück um 10 % seiner ursprünglichen Dehnung zusammengezogen hat, wird als „TR10“-Wert bezeichnet. Ein dem TR10 zugeordneter Wert beschreibt die anfängliche Dehnung. So wird z. B. bei einem TR10/50-Test das Prüfstück um 50 % gedehnt.

Eine alternative Methode zur Bestimmung des Festpunktes eines Elastomers ist die Durchführung des Gehman-Tests (ISO 1432: 1998). Dieser Test misst den Torsionsmodul eines standardisierten Prüfstücks in einem bestimmten Temperaturbereich  Die relativen Modulwerte bei den gemessenen Temperaturen werden festgehalten. (Der relative Modul bei einer vorgegebenen Temperatur entspricht dabei dem Verhältnis des Torsionsmoduls bei dieser Temperatur zum Modul bei 23° C). Diejenige Temperatur, bei welcher der relative Modul 10 beträgt, wird als T10 bzw. bei 5 als T5 usw. angegeben.

Ausgasen
Die Freisetzung von Gasen oder Teilchen mit geringem Molekulargewicht aus einem Werkstoff. Diese Gase, ebenso wie die Gase auf der Oberfläche
des Feststoffs, können in eine Vakuumumgebung freigesetzt werden und ein wahrnehmbares Leck bilden. Bei Raumbedingungen werden vorwiegend Wasserdampf und Kohlenwasserstoffe ausgegast. Das Ausgasen intensiviert sich bei höheren Temperaturen. Dadurch steigen die Durchdringungsrate und die Wahrscheinlichkeit chemischer Reaktionen im Elastomer selbst, die weitere Gase freisetzen. Ausgegaste Substanzen können auf Oberflächen kondensieren oder mit Prozessmedien reagieren und auf diese Weise die Leistungsfähigkeit senken.

Permeation
Die Durchdringung des Elastomers mit Gasen oder Dämpfen. Dies ist ein wichtiges Merkmal, wenn das Elastomer das Austreten von Gasen bzw. Dämpfen aus Kammern usw. verhindern soll. Die Permeationsrate richtet sich nach der Art des verwendeten  Elastomers und der Zusammensetzung der Endmischung (Füllstofftyp, Weichmacher usw.). Der Durchdringungsgrad fällt ausgehend von Silikon-Elastomeren (am höchsten) gefolgt von NR, EPDM, SBR, CR, NBR, FKM und FFKM, ECO und IIR.

Aushärtung mit Peroxid oder Schwefel
Für die verschiedenen Elastomertypen können mehrere Mechanismen der Aushärtung angewendet werden, darunter die Schwefel- und die Peroxidvernetzung. Im Allgemeinen bietet die Schwefelvernetzung bessere mechanische Ausgangsmerkmale, jedoch die schlechteste Wärmealterungsbeständigkeit, während dies bei Peroxidsystemen genau umgekehrt ist.

Verpressung
Das Ausmaß der Verformung des O-Rings oder der Dichtung, ausgedrückt als prozentualer Anteil des ursprünglichen Querschnitts. Das Verformen des O-Rings zwischen Gegenflächen erzeugt eine effektive Abdichtung.  Die Elastizität des Kautschuks liefert die Dichtwirkung durch das „Zurückstoßen“ der Gegenflächen.  Das Verstärken der Verpressung erhöht die von der Dichtung erzeugte Druckkraft, wodurch die aufeinandertreffende Hardware beschädigt oder verformt werden kann. Druckverformungsrest Reduziert langfristig die Effektivität der Dichtwirkung des O-Rings.

Streckspannung
Für eine effektive Abdichtung muss der Innendurchmesser (ID) des O-Rings kleiner sein als der Durchmesser der Kolbennut.  Dadurch wird gewährleistet, dass sich der O-Ring leicht streckt und sich sicher in die Nut einpassen lässt. Die ideale Streckspannung liegt zwischen 1 % und 5 %. Ein Wert von 2 % gilt als optimal für die meisten Anwendungen.  Von einer Streckspannung über 5 % wird abgeraten, da dies den Querschnitt verringern, zu einer verstärkten Spannung des O-Rings und damit zu einer beschleunigten Alterung führen würde.

Zugeigenschaften
Üblicherweise werden die Elastomerproben einfach unter Spannung geprüft, um die Festigkeit der Werkstoffe zu bestimmen. Am gebräuchlichsten ist die Darstellung in Form einer technischen Spannungs-Dehnungs-Kurve; dabei erfolgt die Berechnung anhand der Originalmaße anstatt der tatsächlichen Abmessungen während der Prüfung (der Querschnitt muss während der Prüfung nicht unbedingt konstant bleiben). Eine typische technische Spannungs-Dehnungs-Kurve aus einer Zugprüfung ist nebenstehend dargestellt.
s = Spannung.
e = berichtete Belastung oder Dehnung als prozentualer Anteil der ursprünglichen Messlänge.

• Zugspannung (S oder s): 
  Die zur Dehnung des Prüfstücks angewandte Spannung, berechnet als Kraft pro Flächeneinheit des ursprünglichen Querschnitts der Prüflänge. Die Ergebnisse werden normalerweise in MPa angegeben.
• Dehnung (E oder e): Eine als Prozentsatz der ursprünglichen Prüflänge ausgedrückte und durch eine Zugspannung am Prüfkörper erzeugte Verlängerung wird als prozentuale Belastung bezeichnet.
• Zugfestigkeit (TS): Die maximale Zugspannung, die bei der Verlängerung des Prüfstücks bis zur Belastungsgrenze erfasst wird. Dies wird auch als „Bruchspannung“ bezeichnet.
• Bruchfestigkeit (TSb): Die Zugspannung, die zum Zeitpunkt des Bruchs/Probenversagens erfasst wird.
  Hinweis: Die Werte TS und TSb können sich unterscheiden, wenn sich nach dem Nachgeben die Verlängerung fortsetzt, mit einem Spannungsabfall einhergeht, und damit TSb niedriger wird als TS.
• Bruchdehnung (Eb): Die Dehnung (ausgedrückt als Prozentsatz der ursprünglichen Länge) bei Erreichen der Belastungsgrenze.
• Dehnung bei einer vorgegebenen Spannung (ES):Die Zugbelastung auf der Prüflänge, wenn das Prüfstück einer vorgegebenen Zugspannung ausgesetzt ist.
• Modul oder „Spannung bei vorgegebener Dehnung“ (SE): Die Zugspannung in der Prüflänge bei vorgegebener Dehnung. Diese Definition wird häufig mit dem Begriff „Modul“ bezeichnet. Es sollte darauf geachtet werden, Verwechslungen mit anderen Verwendungen des Begriffs „Modul“ auszuschließen, wie z. B. mit dem Elastizitätsmodul, der die Steigung einer linearen Spannungs-Dehnungs-Kurve bezeichnet. Weder der Elastizitätsmodul noch der Sekantenmodul sind auf nichtlineare Materialien anwendbar und werden daher im Zusammenhang mit Elastomeren nicht verwendet.
• Dehnungsenergie-Dichte (W): Wird definiert als die „geleistete Arbeit“ für eine bestimmte Belastung, d. h. die Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve nach einer vorgegebenen Dehnung.

Reißfestigkeit
Der Median der Kraft, die ausreicht, um einen Schnitt in einem bestimmten hosenförmigen Prüfstück weiter einzureißen, geteilt durch die Dicke des Prüfstücks.  Dieser Begriff gibt die Weiterreißfestigkeit bei einem kleinen Einschnitt in einem Elastomer an. Die gängigste Prüfmethode verwendet das „Trouser Tear“-Verfahren (ASTM D624, Die T), wobei das Prüfstück die Form hat, die der Methode den Namen gibt (eine Hose).

Toleranzen
Die zulässige Abweichung von Abmessungen oder Flächen bei der Herstellung. Die Toleranz entspricht der Differenz zwischen der Ober- und der Untergrenze einer angegebenen Abmessung. Da Metalle hart sind und Interferenzen eine Montage verhindern können, werden sie in der Regel passgenau gearbeitet.  Bohrungen werden mit einem Maß plus einer zulässigen Abweichung angegeben, und Wellen sind definiert als ein Maß abzüglich einer zulässigen Abweichung. Da Elastomerteile, wie z. B. O-Ringe, flexibel und typischerweise für den Betrieb unter Interferenz (Druck oder Zug) ausgelegt sind, werden sie in der Regel mit einer Toleranz (±) für Durchmesser und Querschnitt angegeben.
O-Ring-Toleranzen für jede Standardgröße finden Sie in den Tabellen für O-Ring-Größen.
Wir empfehlen für das Design standardmäßiger Elastomerbauteile die Verwendung der Norm ISO3302-1 Klasse M2, X2.

Volumenänderung
Das Ausmaß der Ausdehnung oder Schrumpfung eines Werkstoffs unter bestimmten Einsatzbedingungen muss bei der Planung jeder Dichtungsanwendung als wichtiger Faktor berücksichtigt werden. Betriebsflüssigkeiten können in ein Material aufgenommen werden und es zum Quellen bringen. Die Betriebsflüssigkeiten können auch die Inhaltsstoffe im Werkstoff herauswaschen, wodurch das Volumen abnimmt. Hin und wieder geschieht sogar beides, und auf ein anfängliches Quellen folgt eine Schrumpfung. In manchen Fällen können hohe Temperaturen und chemische Umgebungen zu einer stärkeren Vernetzung der Struktur führen und das Volumen verringern.  Volumenbestimmungen vor und nach dem Einsatz werden als prozentuale Änderung wiedergegeben.

Witterungs-, Ozon- und UV-Beständigkeit
Wenn Elastomere der Witterung ausgesetzt werden, kann dies einen Abbau des Produkts zur Folge haben, der hauptsächlich auf die Einwirkung des Sonnenlichts, insbesondere auf den UV-Anteil (ultraviolett) des Lichtspektrums, zurückzuführen ist. Durch das UV-Licht spaltet sich die Hauptkette des Polymers auf und ein rascher Abbau des Elastomers setzt ein. Dieser Abbau äußert sich in Form der Bildung von Haarrissen an der Oberfläche („Crazing“), durch die Wasser eindringen und lösliche Bestandteile ausspülen kann, was wiederum zum Versagen der Dichtung führt. Diese Form des Angriffs betrifft in höherem Maße Werkstoffe mit Ungesättigtheit (Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen) im Rückgrat des Polymers und wird durch Belastung des Materials beschleunigt (spannungsinduzierter chemischer Angriff). Um dem entgegenzuwirken, können chemische UV-Stabilisatoren in die Formel integriert werden. Ruß gilt gemeinhin als eines der effektivsten UV-Schutzsysteme für Elastomere.  Ähnlich wie UV-Licht kann auch Ozon (ein kraftvolles Oxidationsmittel) elastomere Bestandteile zersetzen. Die Verwendung von Antiozonanten und die sorgfältige Auswahl von Elastomeren (gesättigten Polymeren) kann dieses Problem beträchtlich eindämmen oder beheben.