Abdichtung bei niedrigen Temperaturen
Die Leistung von Elastomer-Dichtungskomponenten kann entscheidend sein, insbesondere bei Anwendungen in den Bereichen der Luft- und Raumfahrt, der Pharmazie und Medizin, in der Öl- und Gasindustrie, der Lebensmittel- und Molkereibranche und der Petrochemie. Wenn Elastomere niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden, verlieren Sie ihre Elastizität und ihr Rückstellvermögen.
Warum versagen Dichtungen bei niedrigen Temperaturen?
Wenn sich ein Elastomer abkühlt, wird es steifer und daher weniger elastisch, bis es seinen Glasübergangspunkt (Tg) erreicht und seine Phase wechselt. Dann wird es glasartig und spröde. Selbst in diesem Zustand ist noch eine restliche Elastizität vorhanden, aber bei oder in der Nähe dieser Temperatur kann es schwierig werden, eine Dichtwirkung zu erzeugen oder aufrechtzuerhalten. Eine weitere Sorge betrifft die Kontraktion des Werkstoffs bei seiner Abkühlung, das durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) beschrieben wird. Der Umstand, dass bei höheren Temperaturen induzierte Spannungen nach der Entlastung bei niedrigeren Temperaturen verbleiben, wird als Verformungsrest bezeichnet. Sowohl die Kontraktion als auch der Verformungsrest können zu Dichtungsversagen und Leckagen führen.
Wie wähle ich ein Niedertemperatur-Elastomer aus?
Die Wahl des richtigen Werkstoffs ist ausschlaggebend für die Leistung einer Niedertemperatur-Dichtung. Beständigkeit gegen niedrige Temperaturen ist jedoch meistens nur eine Anforderung von vielen, wie beispielsweise bestimmte mechanische Eigenschaften, Druckbeständigkeit, Medieneignung und die Konformität mit Industriestandards. Nicht selten ist ein Kompromiss nötig, um eine Materialklasse zu finden, die eine ganze Bandbreite an Voraussetzungen für eine Anwendung erfüllt.
In der nachstehenden Tabelle sind die Niedertemperatur-Elastomere von PPE mit einem Überblick über ihre Medienbeständigkeit aufgeführt.
Spezielle Materialklassen
PPE hat eine Reihe von speziellen Elastomer-Werkstoffen für niedrige Temperaturen entwickelt, die den anspruchsvollen Bedingungen in der Öl- und Gasindustrie gerecht werden. Die speziellen Niedertemperatur-Elastomere HNBR, FKM und FFKM, die bei PPE in der Palette der Werkstoffe EnDura® und Perlast® ICE geführt werden, bieten ultimative Beständigkeit bei niedrigen Temperaturen.
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Lagern von Elastomeren bei niedrigen Temperaturen
Elastomerkomponenten, die statisch und bei Temperaturen unterhalb ihrer auf dem Datenblatt angegebenen Tieftemperatur gelagert werden, erhalten ihre physikalischen Eigenschaften zurück, sobald sie sich wieder auf den empfohlenen Betriebstemperaturbereich erwärmen können. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass vor einer Verwendung so lange gewartet werden muss, bis die Dichtung oder Komponente ihre elastomeren Eigenschaften wiedererlangt hat.
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Überblick über die Medienbeständigkeit von Niedertemperatur-Elastomeren
| Silikon | EPDM | Nitril | HNBR | FVMQ | FKM | FFKM | |
| Minimale Betriebs- temperatur | -100° C | -60° C | -60° C | -55° C | -55° C | -51° C | -46° C |
| Säuren | Angemessen | Gut | Gut | Schlecht | Angemessen | Gut | Ausgezeichnet |
| Alkohol | Gut | Gut | Angemessen | Ausgezeichnet | Gut | Angemessen | Ausgezeichnet |
| Basen (Alkali) | Angemessen | Gut | Angemessen | Angemessen | Angemessen | Angemessen | Ausgezeichnet |
| Benzol | Schlecht | Schlecht | Schlecht | Schlecht | Gut | Gut | Ausgezeichnet |
| Fette und Öle | Gut | Schlecht | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet |
| Sauerstoff | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Gut | Gut | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet |
| Ozon | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Angemessen | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet |
| Lösungsmittel | Schlecht | Gut | Angemessen | Angemessen | Schlecht | Gut | Ausgezeichnet |
| Dampf | Schlecht | Ausgezeichnet | Schlecht | Schlecht | Schlecht | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet |
| Wasser | Gut | Ausgezeichnet | Gut | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Angemessen | Ausgezeichnet |
Prüfung von Niedertemperatur-Elastomeren
Es gibt eine Reihe von Standardtests zur Ermittlung der Dichtungseigenschaften von Elastomeren:
- Temperatur-Retraktion (ASTM D1329 / ISO2921): Wird häufig auch als TR10-Test bezeichnet. Bei diesem Test wird ein gedehntes Standard-Teststück in ein Bad mit einer Temperatur von -70° C eingetaucht, bis es starr wird. Anschließend lässt man das Musterstück sich ungehindert zusammenziehen und erhöht währenddessen die Temperatur pro Minute um 1° C. Die Temperatur, bei der sich das Teststück 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 Muster um 50 % gedehnt.
- Glasübergangstemperatur, Tg (ASTM D7426 / ISO22768): Der Glasübergang eines Elastomers ist diejenige Temperatur, bei deren Unterschreiten der Werkstoff von einem gummiartigen in einen glasartigen Zustand übergeht und die Eigenschaften eines gläsernen Festkörpers annimmt. Die Glasübergangstemperatur (Tg) wird mit der Methode der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) gemessen.
- Sprödigkeit (ASTM D2137/ISO812): Diese Testmethode wird verwendet, um die Sprödigkeit von Kautschukwerkstoffen zu bewerten, wenn sie bei niedrigen Temperaturen gebogen werden und einen Schlag mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit von einem Schlaggerät erhalten. Die durchgeführten Tests dienen der Bestimmung der niedrigsten Temperatur, bei der Gummimischungen keine Brüche zeigen, wenn sie den spezifizierten Aufprallbedingungen ausgesetzt werden.
- Torsion/Steifigkeit: Dieser Test ist auch bekannt als Gehman-Test (ASTM D1053/ISO1432:201) und misst das Torsionsmodul eines standardisierten Teststücks in einem bestimmten Temperaturbereich. Die relativen Modulwerte bei den gemessenen Temperaturen werden festgehalten. (Das relative Modul bei einer vorgegebenen Temperatur entspricht dabei dem Verhältnis des Torsionsmoduls bei dieser Temperatur zum Torsionsmodul bei 23° C). Die Temperatur, bei der das relative Modul einen Wert von 10 erreicht, wird als T10 wiedergegeben, bzw. bei 5 als T5 usw..
