Hochleistungspolyurethane für dynamische Anwendungen

Berger/Kiefer (Hrsg.)
DICHTUNGS
TECHNIK
JAHRBUCH 2011

148 Dynamische Dichtungen
Dipl.-Ing. Joachim Moeschel
Hochleistungspolyurethane für
dynamische Anwendungen
ALLE BRANCHEN – Innerhalb der Dichtungsindustrie haben sich die
Polyurethane zu einer zentralen Werkstoffgruppe entwickelt. Sie
stellen sich erfolgreich weiteren Herausforderungen. Selbst die Anfälligkeit
gegen hydrolytischen Abbau konnte bei Polyurethanen der
neuesten Generation weitgehend gelöst werden, womit weitere Anwendungen,
wie z.B. im Lebensmittelbereich erschlossen werden
können.
Als Polyurethan wird eine Klasse von Kunststoffen bezeichnet, die durch Polyaddition
von mehrfunktionellen Isozyanaten mit mindestens zwei Hydroxylgruppen
tragenden Verbindungen (Polyalkoholen) gebildet werden >>1.
Diese Art von Polyaddition wurde 1937 von Otto Bayer und seinem Team
entdeckt. Es sollte ein Gegenprodukt zu Nylon 6,6 geschaffen werden und
zustande kam zunächst eine schaumige, spröde Masse, von der zu diesem
Zeitpunkt niemand ahnte, welch bombastische Entwicklung diese Stoffklasse
einmal nach sich ziehen würde.
Von Hochleistungselastomeren ist immer häufiger im Zusammenhang mit
der Lösung von Verschleißproblemen die Rede. Auch hierfür wurden bereits
von O. Bayer die Grundlagen gelegt, als es darum ging, verschleißfeste Werkstoffe
für Räder, Rollen, Manschetten und Ummantelungen zu finden. Diese
Produktlösungen wurden zunächst nach dem Heißgießverfahren aus zwei
>>1: Chemische Synthese von Polyurethanen durch Polyaddition

Komponenten hergestellt und ermöglichten
damit die Initialzündung
für eine Werkstoffgruppe namens
„Vulkollan“, die in mehreren technologischen
Bereichen bahnbrechende
Errungenschaften ermöglichte.
Aufwändige Prozesstechnik
Hochleistungspolyurethane für dynamische Anwendungen
Als nachteilig empfand man den relativ
aufwändigen, fehlerintoleranten
Gießprozess, der sich zudem sehr kostenaufwändig
darstellte. GPU (Guss-
Polyurethane) können nicht unzersetzt
aufgeschmolzen werden. In >>2: Segmentierter blockcopolymerer
Konsequenz daraus investierten die Aufbau von Polyurethanelastomeren
Rohstoffhersteller große Mühen, um
geeignete, blockcopolymer aufgebaute thermoplastische Polyurethane
(TPU) zu entwickeln >>2. Bei diesen Werkstoffen konnte dann die Aufschmelzbarkeit
der Thermoplaste mit der Elastizität von Gummiwerkstoffen
verbunden werden.
Die landläufig bekannten, im Handel zu beziehenden TPU-Marken besitzen
in mancherlei Hinsicht Defizite. Sie sind nicht mit den auf dichtungstechnologische
Performance hin entwickelten TPU vergleichbar. Von den großen
Dichtungsherstellern wurden und werden die thermoplastischen Polyurethane
gezielt auf Dichtungsanwendungen für Hydraulik- und Pneumatikzylinder
weiterentwickelt. Sie konnten damit sowohl traditionelle Gummidichtungen
(auch Gummi-Gewebe-Verbund-Materialien) als auch PTFE-Dichtungslösungen
zu einem erheblichen Anteil verdrängen. Letztere sind – im
Gegensatz zu Gummi und Polyurethan – nur durch ein elastisches Vorspannelement
dichtfähig, daher mit dem Nachteil des zweiteiligen Aufbaus und
entsprechenden Folgen im Bereich der Kosten behaftet. NBR-Dichtungen
besitzen im Vergleich zu Polyurethan (TPU/GPU) ein deutlich ungünstigeres
Verschleißverhalten (ca. fünf- bis achtfache Verschleißrate), womit PUR-Varianten
in der Marktentwicklung deutlich begünstigt waren und immer noch
sind.
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150 Dynamische Dichtungen
>>3: CNC-gesteuertes Spanen von Dichtungen aus Hochleistungspolyurethan
Kaum eine andere Industrie profitierte so sehr von den Errungenschaften im
Grundrohstoffbereich wie die Dichtungsindustrie mit all ihren anwendungstechnischen
Facetten. Moderne Polyurethan-Dichtungswerkstoffe, wie sie
heute für Einsätze in Pneumatik, Hydraulik und automobilen Anwendungen
gefragt sind, können generell auf unterschiedliche Arten zu Dichtungen verarbeitet
werden:
und drucklos vergossen. GPU können nach Verfestigung nicht mehr aufgeschmolzen
werden.
schmelzen
und anschließender Abkühlung im Werkzeug mit nachfolgender
Verfestigung, wie es im Spritzgussverfahren praktiziert wird. „Prozessabfälle“
können aufgrund ihrer Wiederaufschmelzbarkeit bedingt wiederverwendet
werden. Im Vergleich zu vernetzten Elastomeren wird dadurch eine deutliche
Abfallverringerung und damit ein wichtiger Schritt zur nachhaltigen
Rohstoffverwertung geleistet.
zeug
aktiviert man ein Vernetzungssystem, welches infolge zum dreidimensional
vernetzten Material führt.
All diese Verarbeitungsprozesse haben ihre Existenzberechtigung, d.h. sie
stellen jeweils für spezielle Gebiete das Verfahren der Wahl dar. Im Bereich

der niedrigen Losgrößen (Reparaturbedarfe, Prototypen oder Kleinserien)
existiert zumeist keine Amortisationsgrundlage für die Anfertigung eines
Spritzgusswerkzeuges. Daher werden diese i.d.R. aus Rohlingen der geeigneten
Qualität mittels CNC-gesteuerten Drehmaschinen spanend hergestellt
>>3. Die dazu verwendeten Halbzeuge werden entweder im Heißgießverfahren
(GPU) oder über einen geeigneten Thermoplastprozess (TPU) gefertigt.
Die überwiegende Anzahl von Lippen-, Abstreif- und Sonderdichtungen werden
jedoch direkt im Thermoplastprozess aus Granulaten hergestellt. Hierfür
benötigt der Dichtungshersteller hohe Kompetenzen im Bereich der Werkzeugkonstruktion
sowie des Werkzeugbaus als auch in der Maßschneiderung
des Werkstoffes und der Thermoplastprozesstechnik selbst. Wie an anderer
Stelle schon angemerkt, sind PUR-Verarbeitungsprozesse sehr empfindlich
für Fehlereinflüsse.
Die Anforderungen steigen beständig
Hochleistungspolyurethane für dynamische Anwendungen
Der hohe Anspruch an Dichtsysteme und dichtungsnahe Produkte leitet sich
mitunter von den gegenwärtigen Makrotrends im globalen Umfeld ab. Demgemäß
muss eine Dichtung sich immer häufiger folgenden Ansprüchen stellen:verhaltens),
mit biologisch leicht abbaubaren Druckflüssigkeiten in der Hydraulik),
(Standzeiterweiterung),
nehmende
Dominanz von mechatronischen Lösungen (d.h. die Lastenkollektive
der Dichtung werden komplexer),
kunft
(erdölbasierende Grundstoffe werden zur Neige gehen und vorerst
aber deutlich teuerer).
Aus diesen Makrotrends lässt sich ableiten, dass diese Zusammenhänge von
Rohstoffen/Werkstoffen und Dichtungsgeometrien einerseits und der geforderten
Performance an der Endkomponente andererseits vom Dichtungs-
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hersteller gut verstanden werden müssen. Für den Start einer Werkstoffentwicklung
empfiehlt sich also die Erstellung eines ausführlichen Anforderungsprofils,
mithilfe dessen eine geeignete Lösungsstrategie abgeleitet
wird.
Hohe Leistungsfähigkeit
Unter der Voraussetzung, dass TPU und GPU auf die Anforderungsprofile der
Dichtungsindustrie zurechtgeschnitten werden, handelt es sich um Werkstoffe
mit einer einzigartigen Kombination von Eigenschaften – sie:
stischen
Materialien die höchsten Werte für Verschleiß- und Weiterreißfestigkeit.
repräsentieren gute bis sehr gute Extrusionsbeständigkeiten (die Eigenschaft
des Werkstoffes der Spalteinwanderung unter Druck zu widerstehen).
+120 °C verwendbar.
Luftsauerstoff.
dichtungstechnologischen Problemstellungen.
Die Lebensdauer einer Dichtung, die wesentlich durch den Materialaufbau
vorgegeben ist, wird durch ihr mechanisches, physikalisches und chemisches
Umfeld während der Anwendung geprägt. Das sind Gesichtspunkte, denen
sich ein Dichtungshersteller im Vorfeld (Stadium der Kundenanfrage) stellen
muss. Dabei kommt der Materialprüfung eine wichtige Rolle zu. Im Allgemeinen
werden zunächst Standardeigenschaftsprofile ermittelt, um gewisse
Grundeigenschaften abzusichern. Dazu gehören Härte in Shore A/D, Zugfestigkeit,
Reißdehnung und der Druckverformungsrest bei 70 °C u.w. Dies
zeigt z.B. ein TPU der neuesten Generation (SMART-HPU). Nach Absicherung
der Wiederholbarkeit und hinreichender Prozesskontrolle sollten mit diesen
Kennwerten Spezifikationen erstellt werden:

Zur weiteren Werkstoffbeschreibung können DSC- und DMA-Messungen sowie
Quellungen in diversen Mineralölen und Einlagerungstests in bestimmten
anwendungsrelevanten Kontaktmedien durchgeführt werden. Bei
der DSC (Differential Scanning Calorimetry) handelt es sich um eine Analysemethode
mithilfe derer kleinste Wärmeströme gemessen werden. Bei Kunststoffen
ist sie die Methode der Wahl zur Ermittlung von Glasübergängen sowie
von Kristallisationsenthalpien. Die DMA (Dynamisch Mechanische Analyse)
wird zur Analyse der viskoelastischen Eigenschaften verwendet und sie
kann ebenfalls zur Ermittlung von Glasübergängen herangezogen werden.
Schwäche: Hydrolytischer Abbau
Hochleistungspolyurethane für dynamische Anwendungen
Eine der großen Schwächen von Polyurethanelastomeren ist die Anfälligkeit
im Zusammenhang mit dem hydrolytischen Abbau. Dieser Einfluss, der zur
kompletten Dichtungsunfähigkeit des Werkstoffs führt, tritt keinesfalls nur in
wässriger Umgebung auf. Der hydrolytische Abbau der Polymerketten ist
hinsichtlich seiner Einflüsse und seines Auftretens vielfältig.
Bei Einsatz in Hydraulikdichtungen müssen beim Austausch von mineralölbasierenden
durch biologisch leicht abbaubare Hydraulikflüssigkeiten (HEES,
HETG) die üblichen TPU/GPU-Aufbauformen in Frage gestellt werden, weil
sie sich in der Anwendung aufgrund ihres hydrolytischen Abbaus nicht stabil
verhalten. Während der Anwendung – vor allem bei höheren Temperaturen
– können im Falle der biologisch verträglichen Flüssigkeiten Fettsäuren freigesetzt
werden, die im Gemisch mit Wasser und den ebenfalls gebildeten Alkoholen
zur Aufsäurung führen, was eine sehr hohe Abbaurate nach sich
zieht. Nach neueren Erkenntnissen können Hydrolyse oder auch alkalische
Verseifung ebenfalls durch viele Additive, Zersetzungsprodukte und Inhaltsstoffe
– wie sie in Hydraulikflüssigkeiten, Pneumatikfetten, Automobilmedien
und vielen weiteren Prozessflüssigkeiten enthalten sind – ausgelöst und beschleunigt
werden.
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154 Dynamische Dichtungen
Zur Aufklärung des Sachverhaltes, wie hydrolysestabil ein TPU einzuschätzen
ist, empfehlen sich Langzeittests in heißem Wasser. Als empfindlichster Indikator
bietet sich die Messung der Zugfestigkeit (wenigstens jeweils vor und
nach Einlagerung) an, deren Größenordnung mit dem mittleren Molekulargewicht
des TPU in Beziehung gebracht wird. Die prozentuale Verringerung
an Zugfestigkeit ist demzufolge ein Maß für die hydrolytische Zersetzung.
Die mit HPU bezeichnete TPU-Qualität repräsentiert mit -16% einen marginalen
Abbau, wogegen das TPU der ersten Generation mit -94% nahezu zerstört
ist >>4.
Neue Entwicklungen
>>4: Beständigkeit
gegen hydrolytischen
Abbau
(1.000 h bei 80 °C)
(Bilder: seal-mart group)
Die nachhaltige Lösung dieses werkstofftechnischen Problems eröffnet Zugang
zu zukunftsträchtigen Weiterentwicklungen in der Fluidtechnik und
bei weiterer marktanalytischer Betrachtung können auch Anwendungen erschlossen
werden, die bisher mit TPU/GPU nicht in Verbindung gebracht
werden konnten. So können mit SMART-HPU-Qualität erfolgreich Anwendungen
im Bereich der Nahrungsmittel-Prozesstechnik realisiert werden. Dies
HPU erfüllt die Kriterien der FDA oder auch der EU-Richtlinie 2002/77/EG.
Es ist stabil gegen den Einfluss von CIP-Medien (Bezeichnung für Medien, mit
denen in den Stoffkreisläufen von Nahrungsmittel-Anlagen sowohl Reinigung
als auch Sterilisierung abgesichert werden, z.B. 5%ige Natronlauge, 5%
Phosphorsäure oder 5% Salpetersäure) und in Verbindung mit seiner hohen
Abriebbeständigkeit ein idealer Werkstoff für Dichtungen, Abstreifer und Ver-

Hoher Stellenwert: Wälzlagerdichtungen für Landmaschinen
schleißteile unterschiedlicher Art, wie sie in der Nahrungsmittel-Prozesstechnik
benötigt werden.
Ein Beispiel sind Kolbendichtungen in der Hochdruckpumpe eines Industriepumpenherstellers,
die trotz des Höchstdrucks von 4.000 bar alle Standzeit-
und Extremtests bestanden haben. In fleischverarbeitenden Maschinen werden
Kombielemente mit Dicht- und Führungsfunktion aus HPU bestritten.
Die Lebensmittelfreigabe war hierzu eine notwendige Voraussetzung. Sowohl
im Hinblick auf die chemische Stabilität als auch Abriebbeständigkeit
ließen die angewendeten Dichtelemente keine Wünsche offen.
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