O+P Fluidtechnik 11-12/2017

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FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG DICHTUNGEN BENETZUNG IN DER DICHTUNGSTECHNIK Peter Schuler und Werner Haas Benetzung ist kein neuer Begriff in der Dichtungstechnik. Oft sind die Zusammenhänge jedoch unklar oder es sind keine belastbaren Messwerte verfügbar. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen den großen Einfluss der Benetzung auf Dichtungen. Mit den dabei verwendeten Messgrößen ist eine treffende Beschreibung der Benetzung möglich. Darauf aufbauend können Dichtungskomponenten zielgerichtet optimiert werden. 70 O+P Fluidtechnik 11-12/2017
DICHTUNGEN Benetzung ist die physikalische Wechselwirkung einer Flüssigkeit mit einem Festkörper. Benetzung ist also keine konstante Stoffgröße, sondern stets von der Kombination zweier Stoffe abhängig. Ein alltägliches Beispiel hält der Leser vielleicht gerade in der Hand: Stifte, die mit Tinte schreiben. Mit wasserbasierter Tinte eines Füllers lässt sich nicht auf Kunststoffen schreiben – mit lösemittelbasierter Tinte eines Faserschreibers dagegen schon. Diese Wechselwirkung lässt sich direkt im Versuch einfach nachweisen. Mit Kenntnis der Physik der Benetzung und den indirekt ermittelten Oberflächenenergien lässt sich die Wechselwirkung aber auch vorhersagen. Die Möglichkeit der Vorhersage gilt es für die Dichtungstechnik zu nutzen! BEKANNTE PHÄNOMENE IN DER DICHTUNGSTECHNIK Dichtungen benötigen an ihrem Umfang durchgängig eine ausreichend hohe Flächenpressung. Ist nur an einer winzigen Stelle die Flächenpressung geringer als der abzudichtende Druck, kommt es zur Leckage. Dazu genügt es, wenn quer zur Dichtung eine Riefe verläuft. Die Riefe wirkt als Kapillare, durch die die abzudichtende Flüssigkeit austritt. Der Durchfluss ist umso größer, je besser die Flüssigkeit die Oberfläche benetzt und je niederviskoser sie ist. Flüssigkeiten, die eine Oberfläche vollständig benetzen, bilden auf ihr einen Film. Das ist zur Schmierung wünschenswert, weshalb die meisten Schmierstoffe vollständig benetzend ausgelegt sind. Um Flüssigkeiten hingegen möglichst restlos abzustreifen, ist eine unvollständige Benetzung günstig. Dies ist ein Grund für den breiten Einsatz von zumeist fluorierten Kunststoffen und Kautschuken mit niedriger Oberflächenenergie in der Dichtungstechnik. BISHERIGE ANSÄTZE Bisher betrachtete Größen der Benetzung waren die Oberflächenenergie der Flüssigkeit und der Kontaktwinkel. Die Oberflächenenergie einer Flüssigkeit alleine kann nur bei deutlichen Unterschieden der Flüssigkeiten eine Aussage liefern. Zu einer treffenden Aussage über die Benetzung fehlt bei diesem Ansatz die Oberflächenenergie des Festkörpers. Zudem wurde teilweise die Oberflächenenergie von Festkörpern in Schmelze (in der Stahlherstellung oder bei Schweißverfahren relevant, mehrere 1 000 mN/m) mit der Oberflächenenergie fester Oberflächen (15 bis 70 mN/m) verwechselt. Bei der Angabe von Kontaktwinkeln wird oft vergessen, dass auch nur eine geringe Rauheit der Oberfläche den Kontaktwinkel beeinflusst. Vergleichbar sind nur Kontaktwinkel auf ebenen, polierten Oberflächen. Ist die Rauheit unbekannt, ist es der tatsächliche Kontaktwinkel ebenso. Für vollständig benetzende Flüssigkeiten kann kein Kontaktwinkel angegeben werden; er ist stets Null. Damit erlaubt der Kontaktwinkel bei den technisch wichtigen Schmierstoffen keine Unterscheidung. Aus diesem Grund führten bisherigen Betrachtungen zur Benetzung in der Dichtungstechnik zu keinem brauchbaren Ergebnis. NEUE ERKENNTNISSE Der wesentliche Fortschritt ist die Quantifizierung der Benetzung sowohl vollständig als auch unvollständig benetzender Flüssigkeiten. Dies kann direkt oder indirekt erfolgen. Im direkten Verfahren wird die Ausbreitungswilligkeit einer Flüssigkeit untersucht. Diese Messgröße entspricht der Penetrativität nach Washburn. Im Unterschied zum Kontaktwinkel und dem Laplace-Druck ist die Penetrativität eine zeitabhängige Größe. Das ist einleuchtend: Eine sehr hochviskose Flüssigkeit benetzt nicht in gleicher Weise wie eine sehr niederviskose Flüssigkeit derselben Oberflächenenergie; die bisherigen Messgrößen hätten aber genau das nahegelegt. Im indirekten Verfahren werden die Oberflächenenergien von Festkörper und Flüssigkeit zu einer Bindungsenergie (Adhäsionsarbeit) verknüpft. Das Berechnungsmodell stammt von Owens und Wendt und ist in DIN 55660 genormt. Der Adhäsionsarbeit steht die innere Bindung der Flüssigkeit (Kohäsionsarbeit) gegenüber. Die Kohäsionsarbeit ist das Zweifache der Oberflächenenergie der Flüssigkeit. Um die freie Energie zu minimieren, geht die Flüssigkeit stets die energetisch günstigste Bindung ein. Die Kenngröße dafür ist der Spreitungskoeffizient nach Harkins und Feldman. Es ist die Differenz zwischen Adhäsions- und Kohäsionsarbeit. Zwei Beispiele: Wasser, mit seiner hohen Oberflächenenergie besitzt eine sehr hohe Kohäsionsarbeit. Mit einer Kunststoffoberfläche bildet Wasser nur eine geringe Adhäsionsarbeit. Für Wassermoleküle ist es damit energetisch günstiger, sich an andere Wassermoleküle zu binden. Der Spreitungskoeffizient ist negativ, das Wasser tropft ab. Mineralöl, mit seiner geringen Oberflächenenergie besitzt eine geringe Kohäsionsarbeit. Auf einer Metalloberfläche, mit hoher Oberflächenenergie, bildet Mineralöl eine hohe Adhäsionsarbeit. Der Spreitungskoeffizient ist positiv, das Öl bildet einen Film. BEDEUTUNG FÜR DIE DICHTUNGSTECHNIK Die Benetzung beschreibt ob und wie stark eine Flüssigkeit auf einem Festkörper einen Film bildet. Diese selbsttätige Filmbildung wirkt zusätzlich zu einem hydrodynamischen Schmierfilm, wie er für dynamische Dichtungen essentiell ist. Die Benetzung beeinflusst somit den Schmierfilmaufbau. Wird, vereinfachend, newtonsches Fluidverhalten vorausgesetzt, zeigt sich dieser Einfluss in der Schmierfilmhöhe. Bei gegebenem Betriebspunkt bedeutet ein hoher Spreitungskoeffizient einen höheren Schmierfilm, ein kleiner Spreitungskoeffizient einen niedrigeren Schmierfilm. MERKE: „JE BESSER EINE FLÜSSIGKEIT EINE DICHTUNG BENETZT, DESTO HÖHER IST DER SCHMIERFILM.“ Die Schmierfilmhöhe wirkt unmittelbar auf Verschleiß und Leckage von dynamischen Dichtungen. Je geringer die Schmierfilmhöhe, desto höher ist die Neigung einer Dichtung zu verschleißen. Die Leckrate einer drosselnden Dichtung hängt kubisch von der Schmierfilmhöhe ab. Ein höherer Schmierfilm ergibt demnach eine deutlich höhere Leckrate. Die Erkenntnis für den Anwender: Ein andersartiger Werkstoff oder eine andersartige Flüssigkeit kann eine bewährte Dichtung unbrauchbar machen. FALLBEISPIELE Wie Benetzungseffekte wirken können, zeigen die folgenden drei Fallbeispiele. Der abrasive Verschleiß von Dichtungen hängt davon ab, inwieweit sich ein tragfähiger Schmierfilm ausbildet. Für das Beispiel in Bild 1 wurden die Dichtungswerkstoffe und die abzudichtenden Flüssigkeiten variiert. Der Betriebspunkt (Viskosität, Gleitgeschwindigkeit, Flächenpressung) wurde konstant gehalten. Bei vollständiger Benetzung, also Spreitungskoeffizient größer Null, trat kein Verschleiß auf. Bei unvollständiger Benetzung nahm die Verschleißrate, mit abnehmendem Spreitungskoeffizient, überproportional zu. O+P Fluidtechnik 11-12/2017 71
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