Post on 06-Feb-2018
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Autoren:Dr. Uwe Wallner Research & DevelopmentRolf Kuschel Compound DevelopmentThomas Papatheodoru Phys. Lab, InnovationDr. Manfred Achenbach Computer Aided Engineering
Halle 20,Stand B20
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Inhaltsstoffe / StoffgruppeAnteil
Gew.-%
Kautschuk 30 - 60
Fllstoffe, Pigmente, Metalloxide 30 - 50
Weichmacher 0 - 20
Verarbeitungshilfsmittel 0 - 5
Alterungsschutzmittel 0 - 5
Aktivatoren 0 - 3
Vernetzer 1 - 3
Beschleuniger 0 - 2
Rezepturen
Ein Elastomer-Compound
enthlt 10 bis 20 verschiedene
Rohmaterialien.
Ein Elastomer-Compound
enthlt 10 bis 20 verschiedene
Rohmaterialien.
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
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 )
Werkstoffauswahl
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Kontaktmedien wie Flssigkeiten, Gase und Dmpfe knnen in den Werkstoff eindringen und seine Eigenschaften verndern. Man unterscheidet zwei Arten von Einwirkungen:
1. die physikalische Einwirkung
2. die chemische Einwirkung
Werkstoffauswahl
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Physikalische Einwirkung :
1. Absorption des Mediums durch den Werkstoff Volumenquellung(Richtwerte: statisch: max. 25%;
dynamisch: max. 7%)
2. Extraktion der lslichen Bestandteile, besonders Weichmacher, aus dem Werkstoff
Werkstoffauswahl
reversibel
irreversibel
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Vorteile: auergewhnlich gute Minerall und Kraftstoff-bestndigkeit, geringer Druckverformungsrest, preiswert, leicht zu verarbeiten, Festigkeits- und Dehnverhalten.
CH2 CH
CN
CH2 CH CH CH2n m
Acrylnitril
Anteil: 18 - 48 Gew.-%
Butadien Copolymerisat- -
Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR)
Temperaturbereich:100C Dauerbetrieb
120C kurzzeitig
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25 30
VAI / Volume change of standard reference elastomer NBR-1 [%]
Vol
ume
chan
ge o
f fun
ctio
nal e
last
om
ers
[%]
NBR 28 ACN
NBR-1IRM 903
NBR-1IRM 902
NBR-1ASTM L Nr. 1
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25 30
NBR 18 ACN
NBR 28 ACN
NBR 38 ACN
Quellraten von Gebrauchselastomeren
NBR 28 ACN + WM
Volumennderungsindex (VAI) des Standardreferenzela stomeren NBR-1 / %
Vol
umen
nde
rung
von
Geb
rauc
hsel
asto
mer
en/ %
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Chemische Einwirkung :
1. Weitervernetzung des Werkstoffesz.B. freier C=C-Doppelbindungen
2. Abbau des WerkstoffesAbbau von Vernetzungsstellen oder Kettenbrche
=> Werkstoff wird sprde, klebrig und/oder brchig
irreversibel
Werkstoffauswahl
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Oxidativer Angriff Ozon oder Sauerstoff
Thermischer Abbau Temperatur
Hydrolyse Wasser
Nachvernetzung Schwefelhaltige Additive
Abbauprodukte Niedermolekulare Suren Alkohole oder Glykole
Freie Radikale durch mechanische Verformung, Scherung, hochenergetische Strahlung (UV)
Chemischer Angriff
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Der Abbau des primren und der Aufbau des sekundren Netzwerks erfolgen gleichzeitig.
Die Vorgnge knnen mit Hilfe der
1. diskontinuierlichen und der2. kontinuierlichen Spannungsrelaxation
dargestellt werden.
Netzwerk verndernde Vorgnge
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Die diskontinuierliche Spannungsrelaxationzeigt die Effekte, die durch den Abbau des primren unddurch den Aufbau des sekundren Netzwerks entstehen.
Die Effekte, die durch den Abbau des primren Netzwerks entstehen, knnen mit Hilfe der
kontinuierlichen Spannungsrelaxationsepariert werden.
Netzwerk verndernde Vorgnge
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Lo garithmus der Z e it in Stunden
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
1 10 100 1000 10000Zeit in Stunden
Kontinuierliche Spannungsrelaxation
Werkstoff 2Werkstoff 1
Werkstoff 2Werkstoff 1
Vernetzungszunahme mehr als 36% des Ausgangswertes nach:
700 h Werkstoff 2
8000 h Werkstoff 1
Spannungsabnahme auf 36% des ursprnglichen Wertes nach:
2000 h Werkstoff 2
2500 h Werkstoff 1
Medium: Khlwasser - Glycol/Wasser 1:1, T = 105 C
Diskontinuierliche Spannungsrelaxation
Lebensdauervorhersage
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Nach AlterungNach Alterung
t = 5.000ht = 5.000h
t = 20.000ht = 20.000h
0 -0.5 -1,0 -1.5 -2,0 -2,5 -3,0 -3,5 -4,0
VerpressungZug
Radialkraft [MPa]
EntwicklungEntwicklung derder SpannungsabnahmeSpannungsabnahme
Einbau
Werkstoff 1Werkstoff 1 Werkstoff 2Werkstoff 2
Lebensdauervorhersage
Simulation: M. Achenbach
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
350
15
1,0-7,0
1,180,02
705
Standard NBRsoll
161103DIN 53 516Abriebverhalten / mm
2941DIN 53 512Rckprallelastizitt / %
523208 180DIN 53 504Dehnung / %
19,31814DIN 53 504Reifestigkeit / N/mm
3,86,93,0-8,0DIN 53 504Modul 100% / N/mm
1,1871,1751,180,02DIN EN ISO 1183-1Dichte / g/cm
6972705DIN 53 505Hrte / Shore A
Standard NBRist
N 9150ist
N 9150sollNormPhys. Eigenschaften
Neuer Hochleistungs-NBR N9150-70
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
- Anteil an bleibender Verformung, nach vorgegebener maximal Verpressung, Zeit und Temperatur.
Schematische Darstellung eines Prfgertes zur Bestimmung des Druckverformungsrestes nach DIN ISO 815 7.5.1
DVR =d0 d2d0 d1
100 %
d0 = Ausgangsdicke der Prfkrperd1 = Dicke der Probe im verpressten Zustandd2 = Dicke der Probe nach dem Entspannen
DVR = 100% 100% bleibende VerformungDVR = 0% keine bleibende Verformung, 100% elastisch
Probekrper
Distanzstcke
Setzverhalten: Druckverformungsrest (DVR)
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
DVR bei hohen Temperaturen
N 9150-70 zeigt: signifikant verbessertes Setzverhalten, bessere Eigenschaften bei erhhten Temperaturen
15,0
25,4
24 h125C
498,6N 9150
7417,9Standard NBR
1000h100C
24 h100C
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Bestimmung des Setzverhaltens
Setzprfungen mit Dichtungen montiert in Zylinderrohren und unter Temperaturbelastung.
Setzverhalten von NBR-Werkstoffen bestimmt an Kolbe ndichtung PZ fr Durchmesser 80 mm
80,00
80,50
81,00
81,50
82,00
82,50
83,00
0 200 400 600 800 1000 1200
Versuchszeit in [h]
Aus
send
urch
mes
ser
in [m
m]
N9150Standard NBR
N 9150-70 zeigt: signifikant verbessertes Setzverhalten
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Probe
Prfkrper
F = 10 g gem VDA 675 117
Oberhalb der Glasbergangs-temperatur lsst die Probe eine elastische Deformation zu.
Die Kugel kann in die Probe eindringen.
TMA T-onset
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
T-onset
Werkstoff: EPDM
T-onset = -45 C
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
Dim
ensi
on C
hang
e (
m)
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20
Temperature (C)
Sample: E8617_160604Size: 2.0250 x 5.0000 mmMethod: TonsetComment: Versuch1
DMAFile: L:...\T-Onset\E8617_160604.001Operator: EiseltRun Date: 16-Jun-04 10:43Instrument: 2980 DMA V1.7B
Universal V3.9A TA Instruments
TMA T-onset
T-onset Temperaturist der Schnittpunkt der beiden Tangenten.
-32N9150
-28Standard NBR
T-onsetC
Werkstoff
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Probe
Prfkrper
Eindringung 0,2 mm AU-0695 2006-02
Oberhalb der Glasbergangs-temperatur zeigt die Probe eine strkere Rckstellung als durch die Wrmeausdehnung alleine.
TMA Tieftemperatur Rckstellung (TR)
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
TMA TR
-60
-40
-20
0
20
Tem
pera
ture
(C
)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
Sta
tic F
orce
(N
)
-1300
-1200
-1100
-1000
Dim
ensi
on C
hang
e (
m)
0 50 100 150 200 250
Time (min) Universal V3.9A TA Instruments
Abkhlung Aufheizen
thermischeSchrumpfung
thermische Ausdehnung
und Rckstellung
Eindringkraft
Kontaktkraft
Sample: N9150-70Method: TR-10 Standard DMA
Instrument: 2980 DMA V1.7B
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Tieftemperatur RckstellungTemperature Retraction
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-40 -30 -20 -10 0 10 20
Temperatur / C
Rc
kste
llung
/ %
N3571
N9150
Bessere dynamische Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen
Schnellere Rckstellung
N9150-70
Rc
kste
llung
/ %
Temperatur / C
-5C-15-21-27N9150+13C+2-6-17Standard NBRTR70TR50TR30TR10
N9150
Standard NBR
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
-53.04C(I)
-59.42C
-42.50C
-63.02C(I)
-66.09C
-56.49C
0.1
1
10
100
1000
10000
Sto
rage
Mod
ulus
(M
Pa)
-100 -50 0 50 100
Temperature (C)
Sample: NR 1 phr Peroxid 220704 MFS UWSize: 10.7620 x 4.0200 x 2.1800 mmMethod: Multi Freq NRComment: NR ungef_llt, Messreihe G' vs. phr Peroxid
DMAFile: L:...\MFA\NR 1Perox MFA 230704 UW.001Operator: UWRun Date: 23-Jul-04 11:17Instrument: 2980 DMA V1.7B
Universal V3.9A TA Instruments
Naturkautschuk, peroxidvernetzt,Messfrequenz 0,1 - 30 Hz
30 Hz
0,1 Hz
1 Hz
Belastung und Tieftemperatureignung
-63C -53C
Unterschied 10 K
Daumenregel: Die Glas-bergangstemperaturverschiebt sich pro Frequenzdekade um ca. 3-4 K.
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
1
1,00
E-15
1,00
E-10
1,00
E-05
1,00
E+00
1,00
E+05
1,00
E+10
1,00
E+15
1,00
E+20
Zeit / sec
Rel
ativ
e R
cks
tellu
ng
N 3571N 9150
Druck: 10 barTemperatur: 60C
N9150 ist ca. 600 mal schneller
N9150-70Standard NBR
Relative Rckstellung
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
1,00E-06
1,00E-05
1,00E-04
1,00E-03
1,00E-02
1,00E-01
1,00E+00
1,00E+01
1,00E+02
1,00E+03
1,00E+04
1,00E+05
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
-20 0 20 40 60 80 100
Temperatur / C
Zei
t / s
ec
N3571
N9150
Druck: 10 barRetraktion: 40%
N9150-70Standard NBR
Relative Rckstellung -Temperaturabhngig
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Amplitude: 0,6 mm
Frequenz: 5 Hz
Temperatur: 20 C
Simulierte Rckstellung
Simuliert wird eine schnelle seitliche Auslenkung
N9150 Kolbendichtung PZStandard Werkstoff
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20
Zeit [s]
Ver
schi
ebun
g [m
m]
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20
Zeit [s]
Ver
schi
ebun
g [m
m]
N9150
Deckel-bewegung
Standard NBR
Simulierte Rckstellung
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Reibungseigenschaften von N9150Reibkraft von E5 1626 N9150
im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Druck p in [bar]R
eibk
raft
in [N
]
N9150WB1WB2
N9150-70: deutlich verringerte Reibkrfte deutlich verringerte Stick Slip Neigung
WB2WB1N9150
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Dauerlaufprfung
Dauerlaufprfungen in Zylindern mit gedrosselter und nicht gedrosselter Fahrweise.
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Testdichtungen bei 80C / 168h gealtert, SetztestZulssiger Leckagegrenzwert: 35 ml/min
120 ml/min79 ml/min6,5 bar4 ml/min6,5 bar
114 ml/min82 ml/min4 bar4 bar
210 ml/min31 ml/min2 bar1 ml/min2 bar
222 ml/min60 ml/min1 bar2,5 ml/min1 bar
ausfahrendeinfahrendausfahrendeinfahrend
nach 1 Mio. Zyklen (ca. 200 km Laufstrecke)
6,5 bar6,5 bar
4 bar4 bar
2 bar2 bar
1 bar1 bar
ausfahrendeinfahrendausfahrendeinfahrend
0 Lastwechselgemessen im Neuzustand
Zylinder mit PZ 80 / Standard NBRZylinder mit PZ 80 / N9150
Dichtungseigenschaften von N9150
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Test seals bei 80C / 168h gealtert, Setztest Zulssiger Leckagegrenzwert: 35 ml/min
berblst60 ml/min6,5 bar4 ml/min6,5 bar
berblst460 ml/min4 bar2 ml/min4 bar
berblstberblst2 bar2 bar
berblstberblst1 bar1 bar
ausfahrendeinfahrendausfahrendeinfahrend
nach 3,5 Mio. Zyklen (etwa 700 km Laufstrecke)
6,5 bar6,5 bar
4 bar4 bar
2 bar2 bar
1 bar1 bar
ausfahrendeinfahrendausfahrendeinfahrend
0 ZyklenNeue Dichtung
Zylinder mit PZ 80 / Standard-NBRZylinder mit PZ 80 / N9150
Dichtungseigenschaften von N9150
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
0,010 0,025 0,05 0,1
Geschwindigkeit [m/s]
Rei
bkra
ft [
N]
0 bar 2 bar
4 bar 6 bar
8 bar 10 bar
Es konnte kein Stick-Slip in allen Betriebspunkten festgestellt werden.
Stick Slip Verhalten
Reibkraft von E5 1626 N9150Geschwindigkeit: 0,01 bis 0,1 m/s
(in Stufen gesteigert)
Trockenlauf
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
Physikalisches und chemisches Verhalten mssen den Umgebungsbedingungen angepasst sein
Dynamische Werkstoffe knnen Bewegungen besser folgen
Dynamische Belastung beeinflusst das Tieftemperaturverhalten
Verbessertes Reibungs- und Stick-Slip Verhalten sorgt fr gleichmiges Betriebsverhalten, geringeren Verschlei und spart Energie.
Produktvorteile durch optimierte Werkstoffe
Spezielle Anforderungen an Dichtungswerkstoffe
vielen Dank
fr
Ihr Interesse
Parker Hannifin GmbH & Co. KGPrdifa Packing DivisionArnold Jger Str. 1D-74321 Bietigheim-Bissingen
Dr. Uwe WallnerR & D ManagerChemical LabUWallner@parker.com