Hochleistungspolyurethane für dynamische Anwendungen
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Berger/Kiefer (Hrsg.)<br />
DICHTUNGS<br />
TECHNIK<br />
JAHRBUCH 2011
148 Dynamische Dichtungen<br />
Dipl.-Ing. Joachim Moeschel<br />
<strong>Hochleistungspolyurethane</strong> <strong>für</strong><br />
<strong>dynamische</strong> <strong>Anwendungen</strong><br />
ALLE BRANCHEN – Innerhalb der Dichtungsindustrie haben sich die<br />
Polyurethane zu einer zentralen Werkstoffgruppe entwickelt. Sie<br />
stellen sich erfolgreich weiteren Herausforderungen. Selbst die Anfälligkeit<br />
gegen hydrolytischen Abbau konnte bei Polyurethanen der<br />
neuesten Generation weitgehend gelöst werden, womit weitere <strong>Anwendungen</strong>,<br />
wie z.B. im Lebensmittelbereich erschlossen werden<br />
können.<br />
Als Polyurethan wird eine Klasse von Kunststoffen bezeichnet, die durch Polyaddition<br />
von mehrfunktionellen Isozyanaten mit mindestens zwei Hydroxylgruppen<br />
tragenden Verbindungen (Polyalkoholen) gebildet werden >>1.<br />
Diese Art von Polyaddition wurde 1937 von Otto Bayer und seinem Team<br />
entdeckt. Es sollte ein Gegenprodukt zu Nylon 6,6 geschaffen werden und<br />
zustande kam zunächst eine schaumige, spröde Masse, von der zu diesem<br />
Zeitpunkt niemand ahnte, welch bombastische Entwicklung diese Stoffklasse<br />
einmal nach sich ziehen würde.<br />
Von Hochleistungselastomeren ist immer häufiger im Zusammenhang mit<br />
der Lösung von Verschleißproblemen die Rede. Auch hier<strong>für</strong> wurden bereits<br />
von O. Bayer die Grundlagen gelegt, als es darum ging, verschleißfeste Werkstoffe<br />
<strong>für</strong> Räder, Rollen, Manschetten und Ummantelungen zu finden. Diese<br />
Produktlösungen wurden zunächst nach dem Heißgießverfahren aus zwei<br />
>>1: Chemische Synthese von Polyurethanen durch Polyaddition
Komponenten hergestellt und ermöglichten<br />
damit die Initialzündung<br />
<strong>für</strong> eine Werkstoffgruppe namens<br />
„Vulkollan“, die in mehreren technologischen<br />
Bereichen bahnbrechende<br />
Errungenschaften ermöglichte.<br />
Aufwändige Prozesstechnik<br />
<strong>Hochleistungspolyurethane</strong> <strong>für</strong> <strong>dynamische</strong> <strong>Anwendungen</strong><br />
Als nachteilig empfand man den relativ<br />
aufwändigen, fehlerintoleranten<br />
Gießprozess, der sich zudem sehr kostenaufwändig<br />
darstellte. GPU (Guss-<br />
Polyurethane) können nicht unzersetzt<br />
aufgeschmolzen werden. In >>2: Segmentierter blockcopolymerer<br />
Konsequenz daraus investierten die Aufbau von Polyurethanelastomeren<br />
Rohstoffhersteller große Mühen, um<br />
geeignete, blockcopolymer aufgebaute thermoplastische Polyurethane<br />
(TPU) zu entwickeln >>2. Bei diesen Werkstoffen konnte dann die Aufschmelzbarkeit<br />
der Thermoplaste mit der Elastizität von Gummiwerkstoffen<br />
verbunden werden.<br />
Die landläufig bekannten, im Handel zu beziehenden TPU-Marken besitzen<br />
in mancherlei Hinsicht Defizite. Sie sind nicht mit den auf dichtungstechnologische<br />
Performance hin entwickelten TPU vergleichbar. Von den großen<br />
Dichtungsherstellern wurden und werden die thermoplastischen Polyurethane<br />
gezielt auf Dichtungsanwendungen <strong>für</strong> Hydraulik- und Pneumatikzylinder<br />
weiterentwickelt. Sie konnten damit sowohl traditionelle Gummidichtungen<br />
(auch Gummi-Gewebe-Verbund-Materialien) als auch PTFE-Dichtungslösungen<br />
zu einem erheblichen Anteil verdrängen. Letztere sind – im<br />
Gegensatz zu Gummi und Polyurethan – nur durch ein elastisches Vorspannelement<br />
dichtfähig, daher mit dem Nachteil des zweiteiligen Aufbaus und<br />
entsprechenden Folgen im Bereich der Kosten behaftet. NBR-Dichtungen<br />
besitzen im Vergleich zu Polyurethan (TPU/GPU) ein deutlich ungünstigeres<br />
Verschleißverhalten (ca. fünf- bis achtfache Verschleißrate), womit PUR-Varianten<br />
in der Marktentwicklung deutlich begünstigt waren und immer noch<br />
sind.<br />
149
150 Dynamische Dichtungen<br />
>>3: CNC-gesteuertes Spanen von Dichtungen aus Hochleistungspolyurethan<br />
Kaum eine andere Industrie profitierte so sehr von den Errungenschaften im<br />
Grundrohstoffbereich wie die Dichtungsindustrie mit all ihren anwendungstechnischen<br />
Facetten. Moderne Polyurethan-Dichtungswerkstoffe, wie sie<br />
heute <strong>für</strong> Einsätze in Pneumatik, Hydraulik und automobilen <strong>Anwendungen</strong><br />
gefragt sind, können generell auf unterschiedliche Arten zu Dichtungen verarbeitet<br />
werden:<br />
<br />
und drucklos vergossen. GPU können nach Verfestigung nicht mehr aufgeschmolzen<br />
werden.<br />
schmelzen<br />
und anschließender Abkühlung im Werkzeug mit nachfolgender<br />
Verfestigung, wie es im Spritzgussverfahren praktiziert wird. „Prozessabfälle“<br />
können aufgrund ihrer Wiederaufschmelzbarkeit bedingt wiederverwendet<br />
werden. Im Vergleich zu vernetzten Elastomeren wird dadurch eine deutliche<br />
Abfallverringerung und damit ein wichtiger Schritt zur nachhaltigen<br />
Rohstoffverwertung geleistet.<br />
zeug<br />
aktiviert man ein Vernetzungssystem, welches infolge zum dreidimensional<br />
vernetzten Material führt.<br />
All diese Verarbeitungsprozesse haben ihre Existenzberechtigung, d.h. sie<br />
stellen jeweils <strong>für</strong> spezielle Gebiete das Verfahren der Wahl dar. Im Bereich
der niedrigen Losgrößen (Reparaturbedarfe, Prototypen oder Kleinserien)<br />
existiert zumeist keine Amortisationsgrundlage <strong>für</strong> die Anfertigung eines<br />
Spritzgusswerkzeuges. Daher werden diese i.d.R. aus Rohlingen der geeigneten<br />
Qualität mittels CNC-gesteuerten Drehmaschinen spanend hergestellt<br />
>>3. Die dazu verwendeten Halbzeuge werden entweder im Heißgießverfahren<br />
(GPU) oder über einen geeigneten Thermoplastprozess (TPU) gefertigt.<br />
Die überwiegende Anzahl von Lippen-, Abstreif- und Sonderdichtungen werden<br />
jedoch direkt im Thermoplastprozess aus Granulaten hergestellt. Hier<strong>für</strong><br />
benötigt der Dichtungshersteller hohe Kompetenzen im Bereich der Werkzeugkonstruktion<br />
sowie des Werkzeugbaus als auch in der Maßschneiderung<br />
des Werkstoffes und der Thermoplastprozesstechnik selbst. Wie an anderer<br />
Stelle schon angemerkt, sind PUR-Verarbeitungsprozesse sehr empfindlich<br />
<strong>für</strong> Fehlereinflüsse.<br />
Die Anforderungen steigen beständig<br />
<strong>Hochleistungspolyurethane</strong> <strong>für</strong> <strong>dynamische</strong> <strong>Anwendungen</strong><br />
Der hohe Anspruch an Dichtsysteme und dichtungsnahe Produkte leitet sich<br />
mitunter von den gegenwärtigen Makrotrends im globalen Umfeld ab. Demgemäß<br />
muss eine Dichtung sich immer häufiger folgenden Ansprüchen stellen:verhaltens),<br />
<br />
mit biologisch leicht abbaubaren Druckflüssigkeiten in der Hydraulik),<br />
<br />
(Standzeiterweiterung),<br />
nehmende<br />
Dominanz von mechatronischen Lösungen (d.h. die Lastenkollektive<br />
der Dichtung werden komplexer),<br />
kunft<br />
(erdölbasierende Grundstoffe werden zur Neige gehen und vorerst<br />
aber deutlich teuerer).<br />
Aus diesen Makrotrends lässt sich ableiten, dass diese Zusammenhänge von<br />
Rohstoffen/Werkstoffen und Dichtungsgeometrien einerseits und der geforderten<br />
Performance an der Endkomponente andererseits vom Dichtungs-<br />
151
152 Dynamische Dichtungen<br />
hersteller gut verstanden werden müssen. Für den Start einer Werkstoffentwicklung<br />
empfiehlt sich also die Erstellung eines ausführlichen Anforderungsprofils,<br />
mithilfe dessen eine geeignete Lösungsstrategie abgeleitet<br />
wird.<br />
Hohe Leistungsfähigkeit<br />
Unter der Voraussetzung, dass TPU und GPU auf die Anforderungsprofile der<br />
Dichtungsindustrie zurechtgeschnitten werden, handelt es sich um Werkstoffe<br />
mit einer einzigartigen Kombination von Eigenschaften – sie:<br />
stischen<br />
Materialien die höchsten Werte <strong>für</strong> Verschleiß- und Weiterreißfestigkeit.<br />
repräsentieren gute bis sehr gute Extrusionsbeständigkeiten (die Eigenschaft<br />
des Werkstoffes der Spalteinwanderung unter Druck zu widerstehen).<br />
<br />
<br />
<br />
+120 °C verwendbar.<br />
<br />
<br />
Luftsauerstoff.<br />
<br />
<br />
<br />
dichtungstechnologischen Problemstellungen.<br />
Die Lebensdauer einer Dichtung, die wesentlich durch den Materialaufbau<br />
vorgegeben ist, wird durch ihr mechanisches, physikalisches und chemisches<br />
Umfeld während der Anwendung geprägt. Das sind Gesichtspunkte, denen<br />
sich ein Dichtungshersteller im Vorfeld (Stadium der Kundenanfrage) stellen<br />
muss. Dabei kommt der Materialprüfung eine wichtige Rolle zu. Im Allgemeinen<br />
werden zunächst Standardeigenschaftsprofile ermittelt, um gewisse<br />
Grundeigenschaften abzusichern. Dazu gehören Härte in Shore A/D, Zugfestigkeit,<br />
Reißdehnung und der Druckverformungsrest bei 70 °C u.w. Dies<br />
zeigt z.B. ein TPU der neuesten Generation (SMART-HPU). Nach Absicherung<br />
der Wiederholbarkeit und hinreichender Prozesskontrolle sollten mit diesen<br />
Kennwerten Spezifikationen erstellt werden:
Zur weiteren Werkstoffbeschreibung können DSC- und DMA-Messungen sowie<br />
Quellungen in diversen Mineralölen und Einlagerungstests in bestimmten<br />
anwendungsrelevanten Kontaktmedien durchgeführt werden. Bei<br />
der DSC (Differential Scanning Calorimetry) handelt es sich um eine Analysemethode<br />
mithilfe derer kleinste Wärmeströme gemessen werden. Bei Kunststoffen<br />
ist sie die Methode der Wahl zur Ermittlung von Glasübergängen sowie<br />
von Kristallisationsenthalpien. Die DMA (Dynamisch Mechanische Analyse)<br />
wird zur Analyse der viskoelastischen Eigenschaften verwendet und sie<br />
kann ebenfalls zur Ermittlung von Glasübergängen herangezogen werden.<br />
Schwäche: Hydrolytischer Abbau<br />
<strong>Hochleistungspolyurethane</strong> <strong>für</strong> <strong>dynamische</strong> <strong>Anwendungen</strong><br />
Eine der großen Schwächen von Polyurethanelastomeren ist die Anfälligkeit<br />
im Zusammenhang mit dem hydrolytischen Abbau. Dieser Einfluss, der zur<br />
kompletten Dichtungsunfähigkeit des Werkstoffs führt, tritt keinesfalls nur in<br />
wässriger Umgebung auf. Der hydrolytische Abbau der Polymerketten ist<br />
hinsichtlich seiner Einflüsse und seines Auftretens vielfältig.<br />
Bei Einsatz in Hydraulikdichtungen müssen beim Austausch von mineralölbasierenden<br />
durch biologisch leicht abbaubare Hydraulikflüssigkeiten (HEES,<br />
HETG) die üblichen TPU/GPU-Aufbauformen in Frage gestellt werden, weil<br />
sie sich in der Anwendung aufgrund ihres hydrolytischen Abbaus nicht stabil<br />
verhalten. Während der Anwendung – vor allem bei höheren Temperaturen<br />
– können im Falle der biologisch verträglichen Flüssigkeiten Fettsäuren freigesetzt<br />
werden, die im Gemisch mit Wasser und den ebenfalls gebildeten Alkoholen<br />
zur Aufsäurung führen, was eine sehr hohe Abbaurate nach sich<br />
zieht. Nach neueren Erkenntnissen können Hydrolyse oder auch alkalische<br />
Verseifung ebenfalls durch viele Additive, Zersetzungsprodukte und Inhaltsstoffe<br />
– wie sie in Hydraulikflüssigkeiten, Pneumatikfetten, Automobilmedien<br />
und vielen weiteren Prozessflüssigkeiten enthalten sind – ausgelöst und beschleunigt<br />
werden.<br />
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154 Dynamische Dichtungen<br />
Zur Aufklärung des Sachverhaltes, wie hydrolysestabil ein TPU einzuschätzen<br />
ist, empfehlen sich Langzeittests in heißem Wasser. Als empfindlichster Indikator<br />
bietet sich die Messung der Zugfestigkeit (wenigstens jeweils vor und<br />
nach Einlagerung) an, deren Größenordnung mit dem mittleren Molekulargewicht<br />
des TPU in Beziehung gebracht wird. Die prozentuale Verringerung<br />
an Zugfestigkeit ist demzufolge ein Maß <strong>für</strong> die hydrolytische Zersetzung.<br />
Die mit HPU bezeichnete TPU-Qualität repräsentiert mit -16% einen marginalen<br />
Abbau, wogegen das TPU der ersten Generation mit -94% nahezu zerstört<br />
ist >>4.<br />
Neue Entwicklungen<br />
>>4: Beständigkeit<br />
gegen hydrolytischen<br />
Abbau<br />
(1.000 h bei 80 °C)<br />
(Bilder: seal-mart group)<br />
Die nachhaltige Lösung dieses werkstofftechnischen Problems eröffnet Zugang<br />
zu zukunftsträchtigen Weiterentwicklungen in der Fluidtechnik und<br />
bei weiterer marktanalytischer Betrachtung können auch <strong>Anwendungen</strong> erschlossen<br />
werden, die bisher mit TPU/GPU nicht in Verbindung gebracht<br />
werden konnten. So können mit SMART-HPU-Qualität erfolgreich <strong>Anwendungen</strong><br />
im Bereich der Nahrungsmittel-Prozesstechnik realisiert werden. Dies<br />
HPU erfüllt die Kriterien der FDA oder auch der EU-Richtlinie 2002/77/EG.<br />
Es ist stabil gegen den Einfluss von CIP-Medien (Bezeichnung <strong>für</strong> Medien, mit<br />
denen in den Stoffkreisläufen von Nahrungsmittel-Anlagen sowohl Reinigung<br />
als auch Sterilisierung abgesichert werden, z.B. 5%ige Natronlauge, 5%<br />
Phosphorsäure oder 5% Salpetersäure) und in Verbindung mit seiner hohen<br />
Abriebbeständigkeit ein idealer Werkstoff <strong>für</strong> Dichtungen, Abstreifer und Ver-
Hoher Stellenwert: Wälzlagerdichtungen <strong>für</strong> Landmaschinen<br />
schleißteile unterschiedlicher Art, wie sie in der Nahrungsmittel-Prozesstechnik<br />
benötigt werden.<br />
Ein Beispiel sind Kolbendichtungen in der Hochdruckpumpe eines Industriepumpenherstellers,<br />
die trotz des Höchstdrucks von 4.000 bar alle Standzeit-<br />
und Extremtests bestanden haben. In fleischverarbeitenden Maschinen werden<br />
Kombielemente mit Dicht- und Führungsfunktion aus HPU bestritten.<br />
Die Lebensmittelfreigabe war hierzu eine notwendige Voraussetzung. Sowohl<br />
im Hinblick auf die chemische Stabilität als auch Abriebbeständigkeit<br />
ließen die angewendeten Dichtelemente keine Wünsche offen.<br />
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