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NBR

Elastomere

Kategorie:

Beschreibung

Elastomere

Elastomere gehören zur Gruppe der Kunststoffe. Es gibt verschiedene Einteilungsarten der Kunststoffe, eine gängige ist die nach Ihrem mechanisch-thermischen Verhalten. Diese gliedert die Kunststoffe in Duroplaste (engmaschig vernetzte Polymere), Thermoplaste (unvernetzte Polymere) und Elastomere (weitmaschig vernetzte Polymere) ein. Elastomere sind also vernetzte (vulkanisierte) Kautschuke. Die Vernetzung erfolgt z. Bsp. durch Schwefel, Peroxiden oder Bestrahlung.

Eine der bekanntesten Eigenschaften dieses Werkstoffs ist, dass er zwar formfest, gleichzeitig aber elastisch ist. Diese Elastizität stellt ein statisch-dynamisches Gleichgewicht von Ordnung und Entropie dar, entgegen der von Federn bekannten Anziehungskräften zwischen sich ändernden Atomabständen. Daher speichert dieser Werkstoff keinerlei Spannenergie.

 

Beispiel einer Mischung

Bestandteil mit Prozentanteil am Beispiel NBR

30% Kautschuk (NBR)                          1% Vernetzungsmittel (Schwefel)

44% Russ (schwarz)                             0.7% Beschleuniger

18% Weichmacher                                0.8% Stearinsäure (Vulkanisationsaktivatoren)

2% Verarbeitungshilfsmittel                   2% Zinkoxid (Vulkanisationsaktivatoren)

1.5% Alterungsschutzmittel

 

Russ -> Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (z. Bsp. Zugfestigkeit, Reissdehnung, Abrieb)

Weichmacher -> Erhöht die Plastizität und verbessert die Füllstoffverarbeitung. Beeinflusst z. T. die Tieftemperatur, Flexibilität und Härte.

Verarbeitungshilfsmittel -> wie z. Bsp. Wachse und Paraffine. Beeinflussen die Formbeständigkeit und die Entformung.

Alterungsschutzmittel -> verzögert die durch Licht-, Ozon-, Sauerstoff- (etc.) hervorgerufenen Alterungsvorgänge.

Beschleuniger -> verkürzt die Vulkanisationszeit bzw. setzt die Vulkanisationstemperatur herab.

 

Auswahlkriterien

Kriterium Beispiele
Medium Flüssigkeiten, Gase
Temperatur Plus- oder Minus-Bereich
Druck Überdruck, Vakuum
Einsatzart dynamisch, statisch
spezielle Anforderungen ELL, FDA, elektrische Leitfähigkeit
weitere Anforderungen Härte, Farbe, Toleranzen

 

Materialidentifikation

Dichte

  • Gleiche Mischungs-Chargen haben immer die gleiche Dichte
  • FKM hat eine relativ hohe Dichte (~1.8 -2.0)

 

Rückprall-Elastizität

  • EPDM hat hohes Rückprallen
  • FKM hat kein Rückprallen
  • NBR hat mittleres Rückprallen

 

Thermogravimetrie

  • Identifikation der Elastomer Mischung
  • Beim Erhitzen der Proben auf über +700 °C verflüchtigen sich bei gewissen Temperaturen die Bestandteile
  • Anhand eines Temperatur-/Gewichtsdiagrammes kann Art und Mischungsanteil bestimmt werden

 

Brandverhalten

  • Beilsteinprobe -> grüne Flamme = chlorhaltige Mischung -> CR
  • Flammtest (Brennverhalten, Art der Rückstände)

 

Flammtest

Polymer Brennverhalten Art der Rückstände Charakteristische Merkmale
Natur-Kautschuk
NR
Brennt sehr gut in eigener Flamme,
gleichmässiges Brennverhalten,
russende Flamme
klebrig, schmierig, weich charakteristischer Geruch
Acrylnitril-Butadien-Kautschuk
NBR
brennt gut in eigener Flamme, jedoch
sehr ungleichmässig
bröckelig, ganz leicht
schmierig
flackernde, spritzige Flamme
Chloroprene-Kautschuk
CR
brennt nicht in eigener Flamme
(flammwidrig), d.h. beim Entfernen
der Flamme erlischt der Prüfling
fest körnig, nicht schmierig eher stechender Geruch
Ethylen-Propylen-Kautschuk
EPDM
brennt sehr gut in eigener Flamme,
russend
sehr feinkörnig, ganz leicht
schmierig
stechender Geruch
Fluor-Kautschuk
FKM
brennt nicht in eigener Flamme,
heller Rauch
nur sehr geringe Rückstände sehr starker, stechender
Geruch, Intensität kann z.B. mit
Ammoniak verglichen werden
Polyurethan-Kautschuk
PUR
brennt nicht in eigener Flamme,
starker charakteristischer Geruch
weich-flüssig, nach längerer
Brennprobe tropft der Prüfling
wird sofort an der Brennstelle
flüssig, eine Art schmelzen
Silikon-Kautschuk
MVQ
brennt nicht in eigener Flamme,
Brennstelle wird weiss, Geruch nicht
intensiv
fest, weiss gelb-weisse Flamme, weisser
Rauch

 

Kompressionsverhalten

  • Elastomere sind grundsätzlich nicht komprimierbar – seitliche Ausweichmöglichkeit!

  • Kraftaufwand von der Härte und Geometrie abhängig
  • je grösser die freie Fläche umso kleiner der Formfaktor (Kraftaufwand)

 

Druckverformungsrest

Der Druckverformungsrest ist die definierte bleibende Verformung eines Elastomers nachdem die formändernde Belastung aufgehoben wurde.

 

Ein DVR von 0% bedeutet eine Vollständige Rückstellung (in der Realität nicht möglich), ein DVR von 100% bedeutet dass der Körper keine Rückstellung zeigt (völlige Verformung).

Der DVR ist abhängig von: Elastomer-Typ, Temperatur, Vulkanisationsgrad, Zeit und Form des Teils.

 

Ausfallgründe und Schadenanalyse

Merkmale mögliche Ursachen
Oberflächenrisse Ozoneinwirkung, zu starke Aufdehnung, falsche Lagerung
Risse und Verhärtung Temperatureinflüsse, teilweise durch Mediums Einflüsse
Verhärtung und Ausbrüche zu hohe Temperaturen unter dynamischer Belastung
Blasenbildung / Ausbrüche
auf Oberfläche
extrem schnelle Druckentlastung bei Gasabdichtungen
(Metall -> dichtes Atomgitter, Elastomere -> lockeres 3D-Netzwerk)
Abschälen / Materialausbrüche hohe Drücke, zu grosse Dichtspalte, fehlender Back-up-Ring
Quellung Medium Beständigkeit
0-5% normal
5-15% statisch noch einsetzbar
< 15% nicht mehr einsetzbar
Starke Abblattung bleibende Verformung, zu hohe Temperaturen, falsche
Einbauräume, schlecht vulkanisiertes Material
Abrieb zu starke dynamische Belastung, Mangelschmierung, rauhe
Oberfläche, zu starke Verpressung

 

Vernetzungsarten

Schwefelvernetzung Peroxydvernetzung
  • ungebundener Schwefel kann Korrosion an Metallen bilden (z.B. Silber, Kupfer, Blei)
  • neigt zum Kleben
  • besseres Temperaturverhalten
  • niedriger DVR
  • schwierige Verarbeitung
  • teurer als Schwefelvulkanisiert
  • keine Korrosion

 

 

Korrosion durch Salzsäurebildung

“Billige” CR-Mischungen können bei erhöhter Temperatur Salzsäure abspalten. Dies gilt für alle chlorierten Elastomere. Durch entsprechende Stabilisatoren kann diese Salzsäurebildung verhindert werden.

 

Kontakt mit Kunststoffen

Weichmacher in Elastomeren können in Kontakt mit Kunststoffen folgende Reaktionen zeigen:

Kleben / Verfärben / Rissbildung (Polycarbonat) / Erweichung (PVC).

-> weichmacherfreie Werkstoffe einsetzen.

 

Elektrische Eigenschaften 

Grundsätzlich sind russgefüllte Mischungen antistatisch mit einem elektrischen spezifischen Widerstand von 10bis 109 Ω/cm. Russanteil ca. 60 – 65 %. Durch Änderung der Russstruktur wird ein Elastomer leitend (aktiver Russ), durch Beimischung von Russersatz wird ein Elastomer isolierend (Kaolin 15%).

 

Einfärben von Elastomeren

Werden Elastomere eingefärbt, muss der Füllstoff Russ durch helle Zusätze ersetzt werden. Dies wirkt sich sehr negativ auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften aus (Ausnahme: MVQ und PUR).

 

Lagerung von Elastomeren

Temperatur optimal: +15 °C bis +25 °C. Tiefere Temperatuen sind möglich (nicht unter -10 °C)
Feuchtigkeit optimal: 50% – 60%, nicht extrem trockene oder feuchte Umgebung.
Licht keine direkte Sonnenbestrahlung oder Kunstlicht mit hohem UV-Anteil.
Sauerstoff / Ozon wenn möglich luftdichte Behältnisse verwenden.
Deformation keine Zug-, Druck- oder sonstige Verformung.
Kontakt mit Flüssigkeiten ist zu vermeiden.
Lagerzeit Empfehlung NBR / CR: 6 Jahre, EPDM: 8 Jahre, rest ca. 10 Jahre.

 

Jeweilige Eigenschaften

Eigenschaft / Material NR EPDM NBR HNBR CR PUR MVQ FKM
Bruchdehnung 1 3 2 2 2 2 3 3
Stoßelastizität 2 3 3 3 3 3 3 5
Abriebwiderstand 2 3 2 2 2 1 4 4
Weiterreißwiderstand 2 3 3 2 2 3 5 4
Druckverformungsrest
bei -40 °C
3 4 5 5 5 5 3 5
Druckverformungsrest
bei +20 °C
2 3 3 2 3 3 2 2
Druckverformungsrest
bei +100 °C
5 2 5 2 4 5 1 1
Kälteflexibilität 2 2 3 3 3 4 1 5
Alterungs-
beständigkeit
3 1 3 1 2 2 1 1
Ozonbeständigkeit 4 1 3 1 2 2 1 1
Benzinbeständigkeit 5 5 1 1 2 1 5 1
Öl- und Fett-
beständigkeit
5 5 1 1 2 1 3 1
Säurebeständigkeit 3 1 4 4 2 5 5 1
Laugenbeständigkeit 3 2 3 3 2 5 5 1
Heißwasser- beständigkeit 3 1 3 2 3 5 5 2
Gasdurchläßigkeit 5 4 2 2 3 1 5 2
1 = sehr gut    2 = gut     3 = mittel     4 = mässig        5 = ungenügend