Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe Halle 20, Stand B20 Autoren: Dr. Uwe Wallner Rolf Kuschel Thomas Papatheodoru Dr. Manfred Achenbach

Research & Development Compound Development Phys. Lab, Innovation Computer Aided Engineering

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Rezepturen Inhaltsstoffe / Stoffgruppe

Anteil Gew.-%

Kautschuk

30 - 60

Füllstoffe, Pigmente, Metalloxide

30 - 50

Weichmacher

0 - 20

Verarbeitungshilfsmittel

0-5

Alterungsschutzmittel

0-5

Aktivatoren

0-3

Vernetzer

1-3

Beschleuniger

0-2

Ein EinElastomerElastomerCompound Compound enthält enthält10 10bis bis20 20 verschiedene verschiedene Rohmaterialien. Rohmaterialien.

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Werkstoffauswahl Kriterien: - Einsatzdruck Pneumatik (60 – 90 Shore A) Hydraulik (80 Shore A – 65 Shore D) - Einsatztemperaturbereich - Kontaktmedien - Freigaben

(GADSL, RoHS, REACH/SVHC, KTW, AFNOR, WRC, Norsok, FDA, BfR, ZEK 01-08 …)

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Werkstoffauswahl Kontaktmedien wie Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe können in den Werkstoff eindringen und seine Eigenschaften verändern. Man unterscheidet zwei Arten von Einwirkungen: 1. die physikalische Einwirkung 2. die chemische Einwirkung

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Werkstoffauswahl Physikalische Einwirkung: 1. Absorption des Mediums durch den Werkstoff
Volumenquellung (Richtwerte: statisch: max. 25%; dynamisch: max. 7%) 2. Extraktion der löslichen Bestandteile, besonders Weichmacher, aus dem Werkstoff

revers ibel

irrever s

ibel

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) CH2

CH

CH2

CH

CH

Temperaturbereich: 100°C Dauerbetrieb 120°C kurzzeitig

CH2 m

n CN

Acrylnitril

-

Butadien

- Copolymerisat

Anteil: 18 - 48 Gew.-%

Vorteile:

außergewöhnlich gute Mineralöl und Kraftstoffbeständigkeit, geringer Druckverformungsrest, preiswert, leicht zu verarbeiten, Festigkeits- und Dehnverhalten.

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Quellraten von Gebrauchselastomeren Volume change von of functional elastomers [%] / % Volumenänderung Gebrauchselastomeren

NBR-1 ASTM ÖL Nr. 1

NBR-1 IRM 902

NBR-1 IRM 903

30 NBR 18 ACN

25

NBR 28 ACN

20

NBR 38 ACN

15 10 5 0

NBR 28 ACN + WM

-5 -10 0

5

10

15

20

25

VAI / Volume change(VAI) of standard reference elastomer NBR-1 NBR-1 [%] Volumenänderungsindex des Standardreferenzelastomeren /%

30

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Werkstoffauswahl Chemische Einwirkung:

1.

Weitervernetzung des Werkstoffes z.B. freier C=C-Doppelbindungen irrever s

2.

Abbau des Werkstoffes Abbau von Vernetzungsstellen oder Kettenbrüche

=> Werkstoff wird spröde, klebrig und/oder brüchig

ibel

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Chemischer Angriff •

Oxidativer Angriff

Ozon oder Sauerstoff

•

Thermischer Abbau Temperatur

•

Hydrolyse

Wasser

•

Nachvernetzung

Schwefelhaltige Additive

•

Abbauprodukte

Niedermolekulare Säuren Alkohole oder Glykole

•

Freie Radikale

durch mechanische Verformung, Scherung, hochenergetische Strahlung (UV)

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Netzwerk verändernde Vorgänge Der Abbau des primären und der Aufbau des sekundären Netzwerks erfolgen gleichzeitig. Die Vorgänge können mit Hilfe der 1. diskontinuierlichen und der 2. kontinuierlichen Spannungsrelaxation dargestellt werden.

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Netzwerk verändernde Vorgänge Die diskontinuierliche Spannungsrelaxation zeigt die Effekte, die durch den Abbau des primären und durch den Aufbau des sekundären Netzwerks entstehen.

Die Effekte, die durch den Abbau des primären Netzwerks entstehen, können mit Hilfe der

kontinuierlichen Spannungsrelaxation separiert werden.

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Lebensdauervorhersage Diskontinuierliche Spannungsrelaxation

Kontinuierliche Spannungsrelaxation

1

2,00

1,80 0 ,8

1,60

Werkstoff 2 Werkstoff 1

0 ,6

Werkstoff 2 Werkstoff 1

1,40

1,20 0 ,4

1,00 0 ,2

0,80

0,60

0 0

0 ,5 1 1,5 Lo ga rit hm us de r Z e it in S t unde n

2

2 ,5

3

Spannungsabnahme auf 36% des ursprünglichen Wertes nach:

3 ,5

4

1 Zeit in Stunden 10

1000

Vernetzungszunahme mehr als 36% des Ausgangswertes nach:

2000 h Werkstoff 2 2500 h Werkstoff 1

100

700 h

Werkstoff 2

8000 h Werkstoff 1

Medium: Kühlwasser - Glycol/Wasser 1:1,

T = 105°°C

10000

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Lebensdauervorhersage Entwicklung der Spannungsabnahme

Werkstoff 1

Werkstoff 2 Einbau

t = 5.000h

t = 20.000h

Nach Alterung Radialkraft [MPa] Verpressung

Zug

0 Simulation: M. Achenbach

-0.5 -1,0 -1.5 -2,0 -2,5 -3,0 -3,5 -4,0

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Neuer Hochleistungs-NBR N9150-70 N 9150 soll

N 9150 ist

Standard NBR soll

Standard NBR ist

Phys. Eigenschaften

Norm

Härte / Shore A

DIN 53 505

70±5

72

70±5

69

Dichte / g/cm³

DIN EN ISO 1183-1

1,18±0,02

1,175

1,18±0,02

1,187

Modul 100% / N/mm²

DIN 53 504

3,0-8,0

6,9

1,0-7,0

3,8

Reißfestigkeit / N/mm²

DIN 53 504

≥14

18

≥15

19,3

Dehnung / %

DIN 53 504

≥ 180

208

≥ 350

523

Rückprallelastizität / %

DIN 53 512

41

29

Abriebverhalten / mm³

DIN 53 516

103

161

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Setzverhalten: Druckverformungsrest (DVR) - Anteil an bleibender Verformung, nach vorgegebener maximal Verpressung, Zeit und Temperatur. Probekörper

DVR =

d0 – d2 d0 – d1

· 100 %

Distanzstücke

Schematische Darstellung eines Prüfgerätes zur Bestimmung des Druckverformungsrestes nach DIN ISO 815 7.5.1

DVR = 100%  DVR = 0% 

d0 = Ausgangsdicke der Prüfkörper d1 = Dicke der Probe im verpressten Zustand d2 = Dicke der Probe nach dem Entspannen

100% bleibende Verformung keine bleibende Verformung, 100% elastisch

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

DVR bei hohen Temperaturen 24 h 100°C

24 h 125°C

1000h 100°C

Standard NBR

17,9

25,4

74

N 9150

8,6

15,0

49

N 9150-70 zeigt: • signifikant verbessertes Setzverhalten, • bessere Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Bestimmung des Setzverhaltens Setzverhalten von NBR-Werkstoffen bestimmt an Kolbendichtung PZ für Durchmesser 80 mm

Setzprüfungen mit Dichtungen montiert in Zylinderrohren und unter Temperaturbelastung.

Aussendurchmesser in [mm]

83,00

N9150 Standard NBR

82,50 82,00 81,50 81,00 80,50 80,00 0

200

400

N 9150-70 zeigt: • signifikant verbessertes Setzverhalten

600

Versuchszeit in [h]

800

1000

1200

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

TMA – T-onset F = 10 g

gemäß VDA 675 117

Prüfkörper

Probe

Oberhalb der Glasübergangstemperatur lässt die Probe eine elastische Deformation zu. Die Kugel kann in die Probe eindringen.

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

TMA – T-onset Sample: E8617_160604 Size: 2.0250 x 5.0000 mm Method: Tonset Comment: Versuch1

File: L:...\T-Onset\E8617_160604.001 Operator: Eiselt Run Date: 16-Jun-04 10:43 Instrument: 2980 DMA V1.7B

DMA

-40

T-onset = -45 °C

Dimension Change (µm)

-50

T-onset Temperatur ist der Schnittpunkt der beiden Tangenten.

-60

Werkstoff

-70

T-onset Werkstoff: EPDM -80

-90

-100 -120

-100

-80

-60

-40

Temperature (°C)

-20

0

20 Universal V3.9A TA Instruments

T-onset °C

Standard NBR

-28

N9150

-32

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

TMA – Tieftemperatur Rückstellung (TR) Eindringung 0,2 mm

AU-0695 2006-02

Prüfkörper

Probe

Oberhalb der Glasübergangstemperatur zeigt die Probe eine stärkere Rückstellung als durch die Wärmeausdehnung alleine.

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

TMA – TR Sample: N9150-70 Method: TR-10 Standard

Instrument: 2980 DMA V1.7B

DMA

-1000

0.4

thermische Ausdehnung und Rückstellung

20 0.3 0

Abkühlung

Aufheizen

-1200

-20

0.2

Static Force (N)

-1100

Temperature (°C)

Dimension Change (µm)

Eindringkraft

-40 0.1

thermische Schrumpfung

-60

Kontaktkraft -1300 0

50

100

150

Time (min)

200

0.0 250 Universal V3.9A TA Instruments

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Tieftemperatur Rückstellung N9150-70

Temperature Retraction

Rückstellung / /%% Rückstellung

100 90

N9150

80

Standard NBR

70 60 N3571

50

N9150

40 30 20

Bessere dynamische Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen

10

Schnellere Rückstellung

0 -40

-30

-20

-10

0

10

20

Temperatur Temperatur// °C °C

TR10

TR30

TR50

TR70

Standard NBR

-17

-6

+2

+13°C

N9150

-27

-21

-15

-5°C

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Belastung und Tieftemperatureignung Sample: NR 1 phr Peroxid 220704 MFS UW Size: 10.7620 x 4.0200 x 2.1800 mm Method: Multi Freq NR Comment: NR ungef_llt, Messreihe G' vs. phr Peroxid

DMA

File: L:...\MFA\NR 1Perox MFA 230704 UW.001 Operator: UW Run Date: 23-Jul-04 11:17 Instrument: 2980 DMA V1.7B

10000

Naturkautschuk, peroxidvernetzt, Messfrequenz 0,1 - 30 Hz

-59.42°C

Storage Modulus (MPa)

1000

-66.09°C

-63°°C

-63.02°C(I)

100

-53°°C

-53.04°C(I)

1 Hz

30 Hz

10

0,1 Hz

Daumenregel: Die Glasübergangstemperatur verschiebt sich pro Frequenzdekade um ca. 3-4 K.

-42.50°C

1

0.1 -100

-56.49°C

Unterschied 10 K -50

0

Temperature (°C)

50

100 Universal V3.9A TA Instruments

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

N9150 ist ca. 600 mal schneller

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Druck: 10 bar Temperatur: 60°C

Zeit / sec

1, 00 E+ 20

1, 00 E+ 15

1, 00 E+ 10

1, 00 E+ 05

1, 00 E+ 00

1, 00 E05

N9150-70 N 3571 9150 Standard NNBR 1, 00 E10

1, 00 E15

Relative Rückstellung

Relative Rückstellung

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Relative Rückstellung Temperaturabhängig 1,00E+08 1,00E+07

N9150-70 Standard NBR

1,00E+06

N3571 N9150

1,00E+05 1,00E+04

Zeit / sec

1,00E+03 1,00E+02 1,00E+01 1,00E+00 1,00E-01 1,00E-02

Druck: 10 bar Retraktion: 40%

1,00E-03 1,00E-04 1,00E-05 1,00E-06 -20

0

20

40 Temperatur / °C

60

80

100

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Simulierte Rückstellung Amplitude: 0,6 mm Frequenz: 5 Hz Temperatur: 20°°C

Simuliert wird eine schnelle seitliche Auslenkung Standard Werkstoff

N9150

Kolbendichtung PZ

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Simulierte Rückstellung 0,7 0,7

0,6 0,6

0,4 0,4

N9150

0,3 0,3

Standard NBR

Verschiebung [mm] Verschiebung [mm]

0,5 0,5

Deckelbewegung

0,2 0,2

0,1 0,1

0,0 0,0 0,00 0,00

0,02 0,02

0,04 0,04

0,06 0,06

0,08 0,08

0,10 0,10

Zeit [s] Zeit [s]

0,12 0,12

0,14 0,14

0,16 0,16

0,18 0,18

0,20 0,20

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Reibungseigenschaften von N9150 Reibkraft von E5 1626 N9150 im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten 40,0

N9150 WB1 WB2

35,0

Reibkraft in [N]

30,0

WB2 WB1 N9150

25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0

1

2

3

4

5

6

Druck p in [bar]

N9150-70: • deutlich verringerte Reibkräfte • deutlich verringerte Stick Slip Neigung

7

8

9

10

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Dauerlaufprüfung

Dauerlaufprüfungen in Zylindern mit gedrosselter und nicht gedrosselter Fahrweise.

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Dichtungseigenschaften von N9150 Zylinder mit PZ Ø80 / N9150

Zylinder mit PZ Ø80 / Standard

gemessen im Neuzustand

0 Lastwechsel

einfahrend

ausfahrend

1 bar





2 bar



4 bar 6,5 bar

NBR

einfahrend

ausfahrend

1 bar







2 bar









4 bar









6,5 bar





einfahrend

ausfahrend

nach 1 Mio. Zyklen (ca. 200 km Laufstrecke) einfahrend

ausfahrend

1 bar

2,5 ml/min



1 bar

60 ml/min

222 ml/min

2 bar

1 ml/min



2 bar

31 ml/min

210 ml/min

4 bar





4 bar

82 ml/min

114 ml/min

6,5 bar



4 ml/min

6,5 bar

79 ml/min

120 ml/min

Testdichtungen bei 80°C / 168h gealtert, Setztest Zulässiger Leckagegrenzwert: 35 ml/min

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Dichtungseigenschaften von N9150 Zylinder mit PZ Ø80 / N9150

Zylinder mit PZ Ø80 / Standard-NBR

Neue Dichtung

0 Zyklen einfahrend

ausfahrend

einfahrend

ausfahrend

1 bar





1 bar





2 bar





2 bar





4 bar





4 bar





6,5 bar





6,5 bar





einfahrend

ausfahrend

nach 3,5 Mio. Zyklen (etwa 700 km Laufstrecke) einfahrend

ausfahrend

1 bar





1 bar

überbläst

überbläst

2 bar





2 bar

überbläst

überbläst

4 bar



2 ml/min

4 bar

460 ml/min

überbläst

6,5 bar



4 ml/min

6,5 bar

60 ml/min

überbläst

Test seals bei 80°C / 168h gealtert, Setztest Zulässiger Leckagegrenzwert: 35 ml/min

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Stick Slip Verhalten Reibkraft von E5 1626 N9150 Geschwindigkeit: 0,01 bis 0,1 m/s (in Stufen gesteigert)

R e ib k ra ft [N ]

200,0 150,0

0 bar

2 bar

4 bar

6 bar

8 bar

10 bar

100,0 50,0 0,0 0,010

0,025

0,05

Geschwindigkeit [m/s]

0,1

Trockenlauf

Es konnte kein Stick-Slip in allen Betriebspunkten festgestellt werden.

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

Produktvorteile durch optimierte Werkstoffe • Physikalisches und chemisches Verhalten müssen den Umgebungsbedingungen angepasst sein • Dynamische Werkstoffe können Bewegungen besser folgen • Dynamische Belastung beeinflusst das Tieftemperaturverhalten • Verbessertes Reibungs- und Stick-Slip Verhalten sorgt für gleichmäßiges Betriebsverhalten, geringeren Verschleiß und spart Energie.

Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe

r ü f k n a D n e l e i v … e s s e r e t n I r h I Parker Hannifin GmbH & Co. KG Prädifa – Packing Division Arnold Jäger Str. 1 D-74321 Bietigheim-Bissingen

Dr. Uwe Wallner R & D Manager Chemical Lab [email protected]