Elastomere  sind  ganz besondere  Werkstoffe,  die  durch  ihre  viskoelastischen  Materialeigenschaften charakterisiert sind. Sie sind nicht eindeutig einer Materialklasse zuzuordnen, da sie verschiedene Eigenschaften kombinieren:  So verhalten sie sich durch ihre elastische Verformbarkeit sowohl wie ein elastischer Festkörper (z.B. Stahl),  zeigen andererseits aber auch Eigenschaften von viskösem Material (z.B. Öl) im Sinne einer möglichen Druckübertragung.
Das Geheimnis des formfesten, aber elastisch verformbaren Kunststoffes liegt in seiner Molekularstruktur.

Molekulare Struktur

Elastomere bestehen aus Polymeren. Hierbei handelt es sich um lange kettenförmige Anordnungen sich wiederholender Monomere. Entlang dieser Ketten sind die einzelnen Elemente gegeneinander drehbar, so dass sich die Moleküle entsprechend ihrer chemischen und energetischen Vorlieben frei zu einem sogenannten Polymerknäuel verdrillen.
Die Elastizität der Elastomere ist überwiegend durch die Fähigkeit der geknäulten Polymerketten bedingt, auf eine Zugbelastung mit einer Streckung bzw. Entflechtung der verdrillten Ketten zu reagieren. Unter Zugspannung richten sich die Polymere in Richtung der Belastung aus – das Elastomer streckt bzw. dehnt sich. Sobald die Zugspannung entfällt oder reduziert wird, beginnen die Ketten wieder mit den zufälligen Drehbewegungen, in deren Verlauf sie wieder die ursprüngliche bevorzugte, statisch knäuelartige Konfiguration einnehmen – das Elastomer zieht sich wieder zusammen in seine Ausgangsform und relaxiert.
Die Elastizität besteht also im Strecken unter Zug- oder Druckbelastung, der hieraus elastischen Verformung und im Zusammenziehen nach Abfall der Spannung.

Eigenschaften & Wechselwirkungen

Temperatur

Die molekulare Struktur und die Materialeigenschaften hängen maßgeblich von der Temperatur ab.
Bei  niedrigen  Temperaturen  sind  Elastomere in ihrem Polymerknäuel fixiert und somit glasartig hart ohne elastische Eigenschaften.
Erst oberhalb einer charakteristischen  Temperatur  (genannt Glasübergangstemperatur)  können die Polymere sich auf ein Vielfaches (bis zu  300-500%)  ihrer  Abmessungen  entfalten und besitzen dann elastomere Eigenschaften, sind also elastisch verformbar. Da die Formänderungen der Polymere  umso schneller und effizienter erfolgt, je mehr Energie vorhanden ist, steigt dieser Effekt mit der Temperatur. Der Anstieg der Elastizität mit der Temperatur ist ein sehr typisches Merkmal von Elastomeren.
Andererseits nehmen mit steigender Temperatur auch andere Einflüsse auf die Elastomere zu wie Alterung und chemische bzw. physikalische Wechselwirkung mit Kontaktmedien.

Alterung

Elastomere Dichtungen können im Laufe des Gebrauches oder bereits bei der Lagerung „altern“, also strukturelle Änderungen erfahren und dadurch ihre elastomeren Eigenschaften ganz oder teilweise verlieren.
Die Gummialterung kann sich sowohl in sichtbaren Veränderungen wie z.B. Rissbildung und einer klebrigen Beschaffenheit der Oberfläche bemerkbar machen; ist aber auch messbar anhand von Material-Verhärtung sowie rückläufigen Spannungswerte bzw. reduzierten elastischen Eigenschaften.

Chemische und physikalische Wechselwirkungen

Im Rahmen seiner Dichtungsfunktion kommen die Elastomere zwangsläufig in Kontakt zu anderen Medien und sind besonderen chemischen als auch physikalischen Belastungen ausgesetzt.
Diese führen unausweichlich zu Veränderungen in der Molekularstruktur der Elastomere z.B. im Sinne einer Weitervernetzung oder eines Abbaus von Polymeren, wodurch sich letztlich die Eigenschaften der Elastomere verändern und negativ beeinflusst werden.
Oberstes Ziel ist es daher diese Wechselwirkungen soweit möglich zu minimieren, in dem auf die geeignete Kombination von Werkstoffen und Medien geachtet wird. 

Generell kann davon ausgegangen werden, dass niedrig legierte Mineralöle sowie die Basisöle der synthetischen Schmierstoffe  eine  gute Verträglichkeit mit elastomeren Werkstoffen aufweisen – es besteht somit eine Beständigkeit der Elastomere gegen diese Medien. Allerdings führen stetig steigende Anforderungen an die Fluide zu immer neuen chemischen Eigenschaften, was eine jeweils erneute und kritische Prüfung der Medium-Verträglichkeit mit Elastomerwerkstoffen zunehmend wichtiger und für eine kritische Anwendungen zwingend erforderlich macht.

Weiterhin müssen die Belastungsgrenzen des Werkstoffes bekannt sein und das Zusammentreffen mehrerer Grenzbedingungen sollte soweit möglich vermieden werden, um die Materialbeständigkeit zu erhalten.  Grenzwertige Belastungen entstehend unter anderem bei maximal zulässiger Umfangsgeschwindigkeit bzw. Temperatur, durch die Druckbeaufschlagung sowie bei spärlicher Schmierung bzw. eingeschränkter Wärmeabfuhr. Dies führt  zu einem Erreichen oder auch Überschreiten der Anwendungsgrenze der Elastomere und letztlich  zu einer eingeschränkten Gebrauchsdauer.

Elastomer-Arten

Elastomere der ersten Wahl sind Nitrilkautschuk (NBR: nitrile butadiene rubber) oder Fluorkautschuk (FKM). Dies liegt zum einen an der Verfügbarkeit der Materialien als auch an der simplen Verarbeitung dieser Elastomere. Im Gegensatz zu z.B. hydriertem Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR) sind beide sehr fehlertolerant gegenüber leichten Fehlern oder Verschmutzungen im Vulkanisationswerkzeug.

Werkstoff

 

Handelsnamen

Temperatur Einsatzbereich in °C

je nach Mischung

Allgemeine Eigenschaften

NBR

 

Perbunan N®, Nitil®, Buna N®

-30°C bis 100°C

Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, kurz auch Nitrilkautschuk, ist ein Copolymer aus Acrylnitril und 1,3-Butadien und zählt zu den Synthesekautschuken. Vulkanisate des Kautschuks haben eine hohe Beständigkeit gegen Mineralöle, Fette und Kohlenwasserstoffe.

FKM

 

 

Viton®, Fluorel®,

Tecnoflon®

-40°C bis 220 °C

Der Begriff Fluorkautschuk (Abkürzung FKM nach DIN ISO 1629 [früher: FPM] und FKM nach ASTM D 1418) bezeichnet eine ganze Gruppe von Kautschuken, die als gemeinsames Merkmal Vinyliden(di)fluorid (VDF) als eines ihrer Monomere besitzen. Fluorkautschuke wurden in den 1950er Jahren von DuPont (Viton) entwickelt.

Sehr gute Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit.

MQ

Silicone®, Silopren®, Silastik®

-50 °C bis 200 °C

Silikone (auch Silicone; Einzahl: das Silikon oder Silicon), chemisch genauer Poly(organo)siloxane, ist eine Bezeichnung für eine Gruppe synthetischer Polymere, bei denen Siliciumatome über Sauerstoffatome verknüpft sind.

HNBR

Therban®

-40°C bis 150°C

Die chemischen Eigenschaften von HNBR sind vergleichbar mit denen des NBR (Nitrilkautschuk). Durch die fehlenden Doppelbindungen im Vergleich zum NBR ist HNBR wesentlich reaktionsträger. Der Unterschied liegt in der wesentlich höheren Temperaturbeständigkeit von ca. 150 °C (Dauereinsatz) anstelle von lediglich 100 °C bei NBR. Auch die Witterungsbeständigkeit ist verbessert (Oxidation, Ozon, UV-Beständigkeit). HNBR ist beständig gegen Mineralöle, Ozon und saure Gase.

EPDM

 

Nordel IP®, Dutral®,

Buna EP®

-40°C bis 150°C

Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuke (Kurzzeichen EPDM, Ethylen-Propylen-Dien; M-Gruppe) sind Terpolymere aus Ethylen, Propylen und einem nicht näher festgelegten Dien. EPDM gehört zu den Synthesekautschuken mit gesättigter Hauptkette (nach DIN: M-Gruppe). Kautschuke mit ungesättigter Hauptkette, wie z. B. Naturkautschuk oder Styrol-Butadien-Kautschuk, zählen hingegen zur R-Gruppe. EPDM-Kautschuke besitzen dafür Doppelbindungen in den Seitenketten und sind daher ebenfalls mit Schwefel vulkanisierbar.

FFKM

Kalrez®,

Parofluor®

−20 °C bis +325 °C

Perfluorkautschuk (Kurzzeichen FFKM oder FFPM) oder Perfluorelastomer ist ein voll fluoriertes Elastomer. Chemisch ist es dem Polytetrafluorethylen (PTFE) sehr ähnlich. Es wird vor allem dort eingesetzt, wo eine sehr gute thermische und/oder chemische Beständigkeit gefordert ist.

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