Eigenschaften von Schaumstoffen und zelligen Elastomeren als ...

Berger/Kiefer (Hrsg.)
DICHTUNGS
TECHNIK
JAHRBUCH 2012

64 Werkstoffe
Dipl. Ing (FH) Martin Dietrich
Eigenschaften von Schaumstoffen und
zelligen Elastomeren als Dichtwerkstoffe
BRANCHENÜBERGREIFEND – Bei der Auswahl von Schaumstoffen
und elastomeren Werkstoffen im Dichtungsbereich, ist anfänglich
die grundlegende Werkstoffeigenschaft der verwendeten Produkte
zu prüfen. Der Begriff der Schaumstoffe ist in vielen Fällen zu unpräzise.
Man unterscheidet hierbei nicht, ob es sich um geschäumte
Thermoplaste, um geschäumte und vernetzte Thermoplaste oder
tatsächlich um geschäumte Elastomere handelt. Dabei werden die
Werkstoffeigenschaften erheblich vom Aufbau des verwendeten
Werkstoffes beeinflusst.
Thermoplastische Schaumkunststoffe zeichnen sich dadurch aus, dass die
den Werkstoff bildenden Makromoleküle chemisch nicht miteinander verbunden
sind. Es handelt sich um „fadenförmige“ Strukturen deren Zusammenhalt
durch physikalische Kräfte den „Van der Waal’sche“-Bindungen erzeugt
wird. Bei entsprechender Energiezufuhr werden diese Kräfte
überwunden und die einzelnen Makromoleküle des Kunststoffes können gegeneinander
verschoben werden. Das Material geht von einem festen in einen
plastischen (flüssigen) Zustand über.
Dem gegenüber sind bei vernetzten thermoplastischen Schaumkunststoffen
die einzelnen Polymermoleküle nachträglich chemisch teilweise miteinander
verbunden, so dass bei Energiezufuhr der Zusammenhalt der Polymermatrix
erhalten bleibt.
Bei den geschäumten Elastomeren handelt es sich um weitmaschig chemisch
vernetze Polymere. Sie nehmen in ihrem Temperaturverhalten verschiedenste
Eigenschaftsformen an. Man spricht einerseits von permanent
vernetzten Elastomeren, zu denen alle Werkstoffe auf Basis von Natur/Synthesekautschuk
(Gummiprodukte) gehören, und Produkten, die bei einer
werkstoffspezifischen Grenztemperatur in den flüssigen Aggregatzustand
übergehen. Es kann sich hierbei um thermoplastische Elastomere handeln
oder um Produkte auf Basis von Polyurethan. Bei dieser Produktklasse kön-

Eigenschaften von Schaumstoffen und zelligen Elastomeren als Dichtwerkstoffe
>>1: Federkennlinie eines gemischtzelligen PUR-Elastomers mit Dichte 150kg/m3
nen oberhalb von ca. 150 °C vernetzend wirkende chemische Bindungen reversibel
gelöst werden.
Anforderung an DIchtungswerkstoffe
Alle diese Produkte können als Dichtwerkstoffe verwendet werden, jedoch
sind die werkstoffspezifischen Eigenschaften im Einsatzfall zu berücksichtigen.
Die Funktion einer Dichtung besteht darin, Stoffübergänge zwischen
zwei gleichartigen oder unterschiedlichen Medien zu verhindern. Um diese
Funktion langfristig zu erfüllen, sind die Anforderungen an den Dichtungswerkstoff
genau zu beschreiben und mit den tatsächlichen Werkstoffeigenschaften
in Einklang zu bringen.
Bei der klassischen statischen Flachdichtung sind die Anforderungen einfach
darzustellen. Die Dichtung soll elastisch sein und die Rauhigkeit der zu dichtenden
Bauteile ausgleichen. Des Weiteren ist die Dichtung derart auszubilden,
dass durch den Dichtwerkstoff kein Stoffübergang stattfinden kann. Es
werden daher bevorzugt geschlossenzellige Produkte verwendet, da ein
Stoffübergang durch den Dichtungswerkstoff ausgeschlossen ist. Andererseits
bieten offenzellige Produkte einige technische Vorteile, wie z.B. geringere
Kriechneigung, weshalb auch derartige Werkstoffe als Dichtmedien in
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Frage kommen. Es ist daher, um die erforderliche Dichtwirkung zu gewährleisten,
die Wandstärke und gegebenenfalls die Vorspannung angemessen zu
dimensionieren. Um die Dichtwirkung dauerhaft sicherzustellen, muss die
Dichtung immer unter einer gewissen Vorspannung stehen, damit keine ungewollten
Stoffübergänge stattfinden können. Um eine gewünschte Verformung/Vorspannung
zu erhalten, können die erforderlichen Kräfte aus der
Federcharakteristik, des verwendeten Werkstoffes, ermittelt werden. Die in
>>1 dargestellte Federkennlinie zeigt den typischen Verlauf für einen gemischtzelligen
Polyurethanschaumstoff mit einer Dichte von 150 kg/m3. Bei
einer für Flachdichtungen üblichen angenommen Verformung von mindestens
30% ist demzufolge eine Vorspannung von ca. 0,018 N/mm2 anzuwenden.
Ein weiteres wichtiges Kriterium bei einem Dichtungswerkstoff ist, dass
dieser unter einer definierten stetigen Vorspannung bzw. Vorverformung
auch ein bestimmtes Mindestmaß an Rückstellvermögen während der gesamten
Einsatzzeit beibehält.
Alle elastomeren Werkstoffe, ob geschäumt oder kompakt, bzw. auch geschäumte
Thermoplaste zeigen die Eigenschaft des Kriechens mehr oder
minder stark ausgeprägt. Unter Kriechen versteht man die reversible Verformungszunahme
/Spannungsabnahme unter Spannungsbeanspruchung. Eine
weitere Werkstoffeigenschaft von Dichtungswerkstoffen ist das Fließen.
Darunter versteht man den irreversiblen Anteil der Verformungszunahme
unter Spannung.
Beide Effekte führen nun dazu, dass sich im Falle einer Dichtung die Spannung
im Dichtelement während der Anwendung abbaut und im Laufe der
Zeit die Dichtwirkung nachlässt bzw. im Extremfall verloren gehen kann. >>2
zeigt das Kriechverhalten von geschäumten Produkten unterschiedlicher
Werkstoffzusammensetzung. Es ist sehr deutlich erkennbar, dass der geschlossenzellige
Werkstoff Zellkautschuk anfänglich eine geringere Ver formungszunahme/-Spannungsabnahme
zeigt, als das offenzellige Polyurethanmaterial.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass die in den geschlossenen
Zellen eingeschlossenen Gase anfänglich die Tragfähigkeit erhöhen, aber
dem Gesetz des kleinsten Zwanges folgend, im Laufe der Zeit aus den geschlossenen
Zellen hinausdiffundieren und durch den daraus resultierenden
Druckverlust die Rückstellkräfte stetig abnehmen. Der Anteil der Tragfähigkeit
aus der Gerüstmatrix und der daraus resultierenden Rückstellkräfte können
bei geschlossenzelligen Systemen nicht getrennt voneinander ermittelt

Eigenschaften von Schaumstoffen und zelligen Elastomeren als Dichtwerkstoffe
>>2: Kriechverhalten von geschäumten Werkstoffen
werden. Demgegenüber wird bei offenzelligen Systemen die Tragfähigkeit des
Werkstoffes ausschließlich durch die Gerüststeifigkeit bestimmt. Die Kriecheigenschaften
werden daher ausschließlich durch den Aufbau der Werkstoffmatrix
bestimmt. Offenzellige Werkstoffe zeigen daher im zeitlichen Verlauf der
Belastung ein abnehmendes Kriechen.
Das Fließen der Werkstoffe, also der irreversible Anteil, ist bei dieser Art der
Werkstoffbetrachtung inkludiert und ist in der Praxis Teil der Spannungsreduktion,
wobei sich der Anteil des Fließens i.d.R. im Bereich von 2% bis 5%
der Kriechvorgänge bewegt. Wie bei allen elastischen Werkstoffen sind die
Eigenschaften ebenfalls von der Temperatur abhängig.
Temperaturverhalten von zentaler Bedeutung
Als im Jahre 1986 die Raumfähre Challenger 73 s nach dem Start explodierte
war dies nach eingehenden Analysen auf das Versagen eines Dichtringes des
Feststoffboosters zurückzuführen. Zum Unglück kam es deswegen, weil die
Dichtung, bei den an diesem Tag für Florida ungewöhnlich niedrigen Temperaturen,
nicht mehr elastisch war und damit ihre Dichtfunktion nicht erfüllen
konnte. Daher ist die Kenntnis des Temperaturverhaltens des eingesetzten
Werkstoffes von entscheidender Bedeutung. Zur Charakterisierung des Temperaturverhaltens
von polymeren Materialien können verschiedene Prüfmethoden
herangezogen werden. Durch dynamisch mechanische Analyse
(DMA) kann das Werkstoffverhalten bei unterschiedlichen Temperaturen un-
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>>3: Temperaturabhängigkeit des dynamischen E-Moduls und der Dämpfung von
verschiedenen Dichtwerkstoffen
ter einer Druckbeanspruchung mit einer gleichzeitig wirkenden dynamischen
Komponente untersucht werden. Diese Art der Werkstoffanalyse
liefert nicht nur den temperaturabhängigen dynamischen E-Modul, sondern
zusätzlich die temperaturabhängigen Dämpfungseigenschaften des Werkstoffes.
In >>3 kann man deutlich erkennen, dass mit sinkenden Temperaturen die
Steifigkeit und damit die Härte der Werkstoffe stetig ansteigen. Gleichzeitig
erhöhen sich der Verlustfaktor und damit die Dämpfung des Werkstoffes. Ein
zunehmender Verlustfaktor bedeutet, dass der plastische Werkstofffanteil
wächst und demzufolge die elastische Werkstoffkomponente reduziert wird.
Das Maximum des Verlustfaktors stellt praktisch den Punkt auf der Temperaturskala
dar, an dem der Werkstoff seine Elastizität verliert.
Eine weitere sehr einfache Methode zur Einschätzung des elastischen Verhaltens
von Dichtwerkstoffen ist der Druckverformungsrest (EN ISO 1856). Bei
dieser Prüfung werden die Dichtwerkstoffe über einen definierten Zeitraum
bei festzulegenden Prüftemperaturen einer definierten Verformung (Druckbeanspruchung)
unterworfen. Anhand des ermittelten Druckverformungsrestes
kann dann das elastische Verhalten, auch bei verschiedenen Temperaturen,
bewertet und damit ein mögliches Versagen der Dichtung
vorhergesagt werden. In >>4 ist sehr deutlich zu erkennen, dass unterschied-

Eigenschaften von Schaumstoffen und zelligen Elastomeren als Dichtwerkstoffe
>>4: Temperaturabhängigkeit des Druckverformungsrestes (Bilder: Getzner Werkstoffe
Ges.m.b.H)
liche Werkstoffe ebenfalls deutliche Unterschiede beim Druckverformungsrest
zeigen. Geschlossenzellige Produkte, im Besonderen die thermoplastischen
unvernetzten Werkstoffe aber auch Zellkautschuk, zeigen bei hohen
Beanspruchungstemperaturen sehr hohe Werte für den Druckverformungsrest.
Dies liegt u.a. daran, dass durch die Temperaturerhöhung die Diffusionsgeschwindigkeit
der in den Zellen eingeschlossenen Gase erhöht und damit
das Kriechen des Werkstoffes bei dieser Prüfung erheblich beschleunigt wird.
Bei offenzelligen Produkten sind diese Effekte nicht zu erwarten, sodass die
ermittelten Werte Rückschlüsse auf das elastische Verhalten erlauben. Die allfällig
stattfindenden Fließvorgänge werden durch die erhöhte Temperaturbeanspruchung
verstärkt und tragen gleichfalls zu erhöhten Druckverformungsresten
bei. Den idealen Dichtungswerkstoff, der für alle Anwendungen
geeignet ist, gibt es nicht.
Chemische Beständigkeit nicht vernachlässigen
Neben den rein physikalischen Eigenschaften ist die chemische Beständigkeit
gegen eine Vielzahl von Medien bei der Auswahl des Dichtungswerkstoffes
von entscheidender Bedeutung. Geschlossenzellige Schaumstoffe
auf Basis der Thermoplaste Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und Polyvinylchlorid
sind gegen eine Vielzahl von chemischen Stoffen beständig, je-
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doch ist das Kriechverhalten dieser Werkstoffe nachteilig und zudem sind die
zulässigen Einsatztemperaturen eher niedrig. Die vernetzten Polyolefine PE
und PP sind chemisch resistent und thermisch höher belastbar als die nicht
vernetzten Typen. Dabei muss berücksichtigt werden, dass aufgrund des geschlossenzelligen
Aufbaues das Kriechverhalten wiederum suboptimal ist.
Demgegenüber sind Silikonschäume sowohl chemisch resistent als auch
von den möglichen Einsatztemperaturen, mit bis zu 200 °C, sehr beanspruchungsfähig.
Jedoch stellt das durch den geschlossenzelligen Charakter bestimmte
ungünstige Kriechverhalten bei den geschäumten Silikonen fallweise
ein Problem dar. Geschlossenzelliger Zellkautschuk auf Basis von Naturkautschuk
zeigt exzellente Tieftemperatureigenschaften aber ungünstiges
Kriechverhalten, während offenzelliger Moosgummi mangelhafte Gerüststeifigkeit
aufweist. Die chemische Beständigkeit und das Alterungsverhalten
von synthetischen Kautschukprodukten ist sehr stark vom verwendeten
Grundpolymer abhängig und daher auf den spezifischen Anwendungsfall
abzustimmen. Geschäumte Polyurethanelastomere sind i.d.R. gemischtzellig
und zeigen geringe Kriechneigung. Jedoch ist die Einsatztemperatur mit
+70 °C begrenzt. Die chemische Beständigkeit ist produktabhängig und
auch die elastischen Eigenschaften bei tiefen Temperaturen können erheblich
schwanken.