Spezielle Anforderungen an...

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  • 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 [email protected]