C. Otto Gehrckens: Wie findet man zum geeigneten Elastomer-Dichtungswerkstoff für die eigene An-wendung?

An die Antriebstechnik werden hinsichtlich Effizienz, Dichtheit und Zuverlässigkeit hohe Ansprüche gestellt. Das betrifft auch die hier eingesetzten Dichtungen. Anwender stehen allerdings bei der Auswahl von geeigneten Elastomer-Dichtungswerkstoffen häufig vor dem Problem aus einem teilweise sehr umfangreichen Produktportfolio bei einer Vielzahl von Lieferanten den für die jeweilige Anwendung geeigneten Dichtungswerkstoff herauszufinden.

Neben verschiedenen Elastomer-Typen wie z. B. NBR, EPDM oder FKM, gibt es unterschiedliche Härten (wie z. B. 70 Shore A oder 90 Shore A), unterschiedliche Farben oder Merkmale wie bspw. Eignung für Lebensmittelkontakt oder Medien-Beständigkeiten. Nicht immer ist sofort ersichtlich, dass der eingesetzte Dichtungswerkstoff für die Anwendung nicht geeignet ist, denn nicht selten tritt die Undichtigkeit schleichend auf. Ein nicht zu unterschätzendes Problem.
Dieser Beitrag soll es dem Anwender ermöglichen mit einem systematischen Leitfaden einen möglichst optimalen Werkstoff für seine spezielle Anwendung zu finden. Folgende Parameter sind hierbei von Bedeutung:

• Dichtungswerkstoff bzw. Elastomertyp,
• Einsatztemperatur,
• Medienkontakt,
• mechanische Eigenschaften,
• Freigaben/Zulassungen,
• Einbauräume.

Dichtungswerkstoffe

Die Tabelle 1 zeigt typische Elastomer-Werkstoffe, die für Dichtungsaufgaben Verwendung finden. Aufgeführt ist neben der Kurzbezeichnung nach DIN ISO 1629 auch die chemische Bezeichnung dieses Werkstoffs und einige typische Handelsbezeichnungen. Anzumerken ist, dass ein Dichtungswerkstoff nicht nur aus dem sogenannten Basis-Elastomer oder genauer gesagt Kautschuk besteht. Darüber hinaus besteht ein Werkstoff auch noch aus diversen zusätzlichen Mischungsbestandteilen, wie z. B. Füllstoffe, Verarbeitungshilfsstoffe, Weichmacher sowie Vernetzer, um nur einige zu nennen (Tabelle 2). Der Kautschuk ist der bestimmende Parameter, wenn es um die Anwendung als Dichtungswerkstoff geht, aber auch die übrigen Mischungsbestandteile können einen nicht zu unterschätzenden Einfluss in der Anwendung haben.

Einsatztemperaturen

Um einen geeigneten Elastomerdichtungswerkstoff auswählen zu können, ist es notwendig, den Einsatztemperaturbereich festzulegen, in dem die Dichtung verwendet werden soll. Tabelle 3 gibt einen Überblick über die minimalen und maximalen Einsatztemperaturen von einigen Elastomer-Werkstoffen, wobei sich die dort genannten Temperaturen stets auf das Medium Luft beziehen. Bei Kontakt mit einem anderen Medium – unabhängig, ob flüssig oder gasförmig – können sich die zulässigen Einsatztemperaturen teilweise deutlich ändern. Dies gilt es bei der Auswahl nach einem geeigneten Dichtungswerkstoff unbedingt zu berücksichtigen. Ein Beispiel: Obwohl ein Standard-FKM-Werkstoff eine maximale Einsatztemperatur von 200 °C aufweist, ist dieser Werkstoff bei Abdichtung gegenüber Wasserdampf nur bis zu ca. 120 °C einsetzbar. Oberhalb dieser Temperatur würde dieser Werkstoff über die Dauer chemisch angegriffen und würde seine Dichtfunktion durch Verhärtung verlieren.

Medienkontakt

Der nächste wichtige Parameter zur Werkstoffauswahl ist die Klärung über das abzudichtende Medium bzw. die Medien, wobei diese flüssig als auch gasförmig sein können. In erster Linie muss die Frage beantwortet werden, gegenüber welchem Medium abgedichtet werden soll. Zusätzlich muss auch geklärt werden, ob noch zusätzliche Medien mit dem Dichtungswerkstoff in Berührung kommen können, wie z. B. Reinigungsmittel in Produktionsanlagen der Lebensmittelindustrie oder Medien, mit denen der Dichtungswerkstoff vor der Montage gereinigt oder gefettet wird. In vielen Fällen ist auch noch eine Angabe über die Medienkonzentration notwendig (z. B. bei Säuren oder Basen) sowie eine Angabe über die Zusammensetzung des Mediums (z. B. bei Hydraulikfluiden).

Darüber hinaus ist neben der Angabe des Mediums auch die dazugehörige auftretende Temperatur von großer Bedeutung (siehe Abschnitt Einsatztemperaturen), da mit zunehmender Temperatur meist auch die Aggressivität des Mediums ansteigt. Ein Beispiel hierfür ist Wasser, welches bei Raumtemperatur (20 °C) keine größeren Beständigkeitsprobleme mit den üblichen Dichtungswerkstoffen aufweist, aber mit ansteigender Temperatur bei einigen Compounds zu starken Wechselwirkungen führt. So ist z. B. ein Standard NBR-Dichtungswerkstoff gegenüber Wasser bei 80 °C nicht mehr beständig bzw. ausreichend resistent.

Wenn alle Medien bekannt sind, mit denen die Dichtung vorhersehbar in Kontakt kommen kann, erfolgt die Auswahl eines geeigneten Werkstoffs. Zur ersten groben Abschätzung bieten sich hierfür sogenannte Beständigkeitstabellen an, die in der Regel bei jedem Lieferanten frei erhältlich sind. Diese sind allerdings meist nur sehr allgemein gehalten und beziehen sich überwiegend auf den verwendeten Basis-Elastomer (Kautschuk). Die übrigen Mischungsbestandteile bleiben dabei unberücksichtigt, obwohl auch sie einen nicht zu unterschätzenden Einfluss haben können. So sind einige Medien in der Lage, einen Weichmacher aus dem Dichtungswerkstoff herauszulösen, wodurch es zu einer Versprödung und damit verbunden Undichtigkeit der Dichtung kommen kann, obwohl gemäß Beständigkeitstabelle der Kautschuk als beständig eingestuft wurde. Darüber hinaus liegt die Temperatur des abzudichtenden Mediums – wenn nichts anderes vermerkt ist – bei Raumtemperatur, was in einer Anwendung eher die Ausnahme darstellt (Tabelle 4).
Darüber hinaus gibt es genormte anwendungsspezifische Beständigkeitslisten, wo neben den Basis-Elastomeren und den Medien auch die dazugehörige maximale Einsatztemperatur aufgeführt ist. Beispiele hierfür sind die DIN 11483-2 für Lebensmittelanwendungen und die ISO 6072 für Hydraulikanwendungen.

Eine weitere Möglichkeit, einen geeigneten Werkstoff bezüglich Medium und Temperatur auszuwählen, sind erweiterte oder spezielle Beständigkeitslisten oder Firmen-interne Datenbanken, die neben den allgemein zugänglichen Beständigkeitstabellen bei einigen Herstellern verfügbar sind. Gute Ergebnisse für den Anwender liefern Einlagerungs- oder besser noch Praxisversuche, die aber in der Regel sehr zeit- und kostenaufwendig sind.

Mechanische Eigenschaften

Sobald unter Beachtung der Medien und der Einsatztemperaturen die Auswahl eines geeigneten Elastomer-Werkstoffs getroffen worden ist, muss auch eine eventuelle mechanische Beeinflussung des Werkstoffs geklärt werden, die bspw. aufgrund der Einbausituation bzw. der Anwendung auftreten kann.
Ein Beispiel hierfür ist die Hochdruckanwendung. Hier spielt nicht nur die Beständigkeit gegen das Medium und die Einsatztemperatur eine Rolle, sondern auch der Widerstand gegen den auftretenden hohen Druck. Je höher dieser Druck ist (z. B. 350 bar), desto höher muss auch die Härte des Elastomerwerkstoffs sein (z. B. 90 Shore A), um einen vorzeitigen Dichtungsausfall durch Spaltextrusion vorzubeugen (Abb. 2).

Weitere mechanische Beeinflussungen, auf die der Elastomer-Werkstoff richtig ausgelegt werden muss, sind Abriebfestigkeit bei dynamischen Anwendungen oder hohe innere Festigkeiten bei Anwendungen, mit plötzlichem starkem Druckabfall. Auch gute Dehnungseigenschaften, wenn die Dichtung bei der Montage konstruktionsbedingt stark gedehnt werden muss, können eine signifikante Rolle bei der Werkstoffauswahl bedeuten.

Freigaben/Zulassungen

In einigen Branchen ist es erforderlich, die Eignung des Elastomer-Werkstoffs zusätzlich noch mit einer Freigabe bzw. Zulassung zu belegen. Hiervon sind bspw. Anwendungen im Bereich Trinkwasser, Lebensmittel, Pharmazie oder Gasversorgung betroffen. Anwenderseitig zu klären ist hier, welche Kriterien der Dichtungswerkstoff erfüllen muss, z. B. FDA-konform gemäß der US-Bundesverordnung 21 CFR 177.2600, wenn eine Verwendung in der Lebensmittelindustrie vorgesehen ist. Werkstoffe, die einer Freigabeprozedur unterliegen, weisen z. B. Beschränkungen bei der Verwendung von Mischungsbestandteilen auf (Lebensmittel, Pharma), müssen über bestimmte physikalische Eigenschaften verfügen (Gasversorgung) oder spezielle Prüfkriterien erfüllen (Sauerstoffanwendung). Die Eignung dieser Dichtungswerkstoffe ist mit einem entsprechenden Zeugnis zu belegen.

Einbauräume

Der notwendige Einbauraum stellt eine nicht zu unterschätzende Rolle bei der Auswahl von Elastomer-Werkstoffen, auch bezogen auf O-Ringe, dar. Als Standard-Einbauraum ist hier die Rechtecknut nach DIN ISO 3601-2 anzusehen, die dem Anwender bezogen auf die Schnurstärke die Werte für Breite und Tiefe des Einbauraums nennt. Daraus ergeben sich die Werte für die notwendige Verpressung des O-Rings sowie der entsprechende Füllgrad der Nut. Bei Anwendung dieser Norm ist eine konstruktiv sichere Abdichtung mit O-Ringen in Standard-Anwendungen gewährleistet. Abweichungen von diesen rechteckigen Einbauräumen sind möglich und teilweise auch notwendig. So werden z. B. in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie spezielle, sogenannte hygienegerechte Einbauräume verlangt, die nur eine sehr geringe Ausdehnung des Dichtungswerkstoffs zulassen. Solche Einbauräume sind u. a. in der DIN 11864 oder der DIN 11853 genormt (Abb. 1).

Anhand von zwei unterschiedlichen Branchen soll nachstehend kurz erläutert werden, wie bei der Auswahl eines optimalen Dichtungswerkstoffs vorgegangen werden sollte.

Branche: Lebensmittelindustrie
Es soll ein Dichtungswerkstoff für eine Armatur gefunden werden, die in einer Molkerei verwendet werden soll, in der Milch bei 20 °C abgefüllt wird. Die Anlage soll täglich mit 4 %-iger Na­tronlauge über 20 Minuten bei 80 °C gereinigt und über 30 Minuten mit Dampf bei 121 °C sterilisiert werden. Eine FDA-Konformität des Dichtungswerkstoffes wird gefordert.
Unter den genannten Voraussetzungen wären verschiedene Elastomer-Werkstoffe verwendbar. Aufgrund von Erfahrungswerten würde für diese Anwendung ein spezieller Peroxid-vernetzter EPDM-Werkstoff mit einer Nennhärte von 70-75 Shore A zum Einsatz kommen. Dieser muss der FDA-Verordnung 21 CFR 177.2600 entsprechen, was bedeutet, dass nur zugelassene Mischungsbestandteile verwendet werden dürfen und mit dem Werkstoff zusätzlich noch Extraktionsversuche in Wasser und n-Hexan als Lebensmittelsimulanzien durchgeführt und bestanden wurden.

Branche: Gasversorgung
Es soll ein Dichtungswerkstoff gefunden werden, der in einem Ventil eingesetzt wird, welches sich als Auf-/Zu-Stellorgan in der Erdgasleitung befindet. Bei dem Medium handelt es sich um Erdgas mit Anteilen von Schwefelwasserstoff von bis zu 5 % bei einer Temperatur von maximal 60 °C. Der in der Erdgasleitung auftretende maximale Druck beträgt 300 bar, der beim Schließen des Ventils innerhalb von wenigen Sekunden auf Umgebungsdruck abfallen kann. Eine Werkstoff-Freigabe nach DIN EN 682 wird aufgrund des Einsatzes in einer Erdgasleitung gefordert.

Aufgrund des Anteils von Schwefelwasserstoff reduziert sich die Werkstoffauswahl bereits erheblich. Da beim Schließen des Ventils mit einem starken Druckabfall von 300 bar auf ca. 1 bar gerechnet werden muss, muss der Dichtungswerkstoff eine sehr hohe mechanische Festigkeit aufweisen, um der plötzlichen Gasentspannung im Werkstoff standzuhalten. Im Fachjargon spricht man hier von einer Beständigkeit gegen „explosive Dekompression“.
Aufgrund der gemachten Erfahrungen würde für diese Anwendung ein speziell formulierter, Peroxid-vernetzter FKM-Werkstoff mit einer Nennhärte von 90 Shore A und einer Beständigkeit gegen „Explosive Dekompression“ in Frage kommen. Dieser müsste zusätzlich noch nach der Erdgas-Norm DIN EN 682 geprüft und zugelassen sein. Beim Einbauraum würde man sich an die Norm ISO 3601-2 für axiale Einbauräume anlehnen, wobei die Werte für die Verpressung des O-Rings und der Füllgrad des Einbauraumes zu optimieren sind, da es sich hierbei um keine Standard-, sondern um eine sehr spezielle Anwendung handelt.

Zusammenfassung

Unsere jahrzehntelange Erfahrung als Dichtungshersteller bei C. Otto Gehrckens zeigt, dass es sich bei der Auswahl eines geeigneten Dichtungswerkstoffes um eine sehr komplexe Aufgabe handelt. Diese wird gleichermaßen durch die Vielzahl an anwendungsspezifischen Parametern, die auf den Dichtungswerkstoff einwirken können und auch durch die Vielzahl von unterschiedlichen Elastomeren und deren Formulierungen erschwert. Weiter erschwerend ist für den Anwender, dass die Formulierungen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung keiner Norm unterliegen und jeder Hersteller mehr oder weniger frei in der Werkstoffgestaltung ist. Um dem Anwender trotzdem eine Möglichkeit zu geben, den für seine Anwendung optimalen Werkstoff auswählen zu können, soll nachstehende kurze Zusammenfassung helfen:

Leitfaden zur optimalen Werkstoff-Auswahl bei Elastomer-Dichtungswerkstoffen:

• Festlegung des Einsatztemperaturbereichs – sowohl untere als auch obere Einsatztemperatur.
• Benennung der Medien, mit denen der Dichtungswerkstoff in Berührung kommen kann (hierzu zählen auch Medien, mit denen der Dichtungswerkstoff gereinigt und/oder gefettet wurde). Hierbei ist das Medium nicht nur alleine zu betrachten, sondern stets mit seiner entsprechenden Temperatur.
• Festlegung, ob und welche mechanischen Eigenschaften notwendig sind (z. B. hohe Härte aufgrund des hohen Druckes, der in der Anwendung auftritt).
• Klärung, ob und welche Freigaben bzw. Zulassungen gefordert werden (z. B. FDA-Konformität).
• Festlegung der richtigen Einbaugeometrie (z. B. DIN ISO 3601-2).

Da sich viele Fragen, die zur optimalen Werkstoff-Auswahl von Elastomer-Dichtungswerkstoffen notwendig sind, nicht ohne Weiteres alleine beantworten lassen und weil die Formulierungen, aus denen diese Werkstoffe bestehen, individuell zusammengesetzt sind und keiner Norm unterliegen, sollte der Anwender stets eine enge Zusammenarbeit mit dem Lieferanten bzw. Hersteller der Elastomer-Dichtungswerkstoffs anstreben. Neben der Werkstoffexpertise kann der Anwender auch von den bei anderen Anwendungsprojekten gemachten Erfahrungen des Herstellers profitieren. Erst bei Berücksichtigung bzw. Vorliegen aller notwendigen Anwendungsparameter, wie sie vorstehend genannt worden sind, ist eine optimale Werkstoff-Auswahl für den jeweiligen Anwendungsfall möglich.