Was ist die größte Beschwerde, vor der Dichtungshersteller am meisten Angst haben? Es ist definitiv das Austreten von Flüssigkeiten.
Wenn Sie einen undichten O-Ring entfernen, entdecken Sie oft einen herzzerreißenden Anblick: Er ist nicht mehr der glatte, pralle O-Ring, der er einmal war; sein Querschnitt hat sich zu einem Quadrat oder einer abgeflachten D-Form verwandelt. Wenn Sie ihn mit den Fingern zusammendrücken, fühlt er sich steinhart an und weist keinerlei Elastizität auf.
In der Kautschukindustrie hat dieses Phänomen einen Fachbegriff: Kompressionssetzung.
Wenn sie mit diesem Problem konfrontiert sind, ist der erste Reflex vieler Techniker oft: ’Verwenden Sie einen hochwertigeren Rohkautschuk!“ oder ”Fügen Sie mehr Ruß hinzu!“ Das Ergebnis sind jedoch häufig höhere Kosten bei nur geringer Verbesserung. Heute nimmt Sie Dr. mit in die molekulare Welt des Kautschuks, um genau zu sehen, wie Ihre Dichtungen ”sterben“.”
Teil 1: Die Grundlagen verstehen – Was ist Kompressionssetzung?
Einfach ausgedrückt bezeichnet Kompressionssetzung den Prozentsatz der Höhe, den Kautschuk nach dem Zusammendrücken unter bestimmten Temperaturbedingungen für eine bestimmte Zeit nicht wiedererlangen kann, wenn die Belastung anschließend entfernt wird.
Im Labor verwenden wir eine präzise wissenschaftliche Formel, um sie zu berechnen:
- C: Wert der Kompressionssetzung (Je niedriger der Wert, desto besser die Rückstellfähigkeit und desto länger die Lebensdauer.)
- h₀: Ursprüngliche Höhe des Prüfkörpers
- h₁: Höhe des Prüfkörpers nach der Rückstellung
- h₈: Höhe des Abstandshalters (Begrenzers)
Für Dichtungen ist die Kompressionssetzung ein entscheidender Indikator. Wenn die CS 80% oder sogar 100% erreicht, verliert der Kautschuk vollständig sein elastisches Gedächtnis. Selbst die geringste Vibration führt dazu, dass Flüssigkeiten – Öl oder Wasser – durch die Spalte austreten.
Teil 2: Die vier Hauptursachen – Wer hat die Elastizität des Kautschuks getötet?
Ursache 1: “Genetische Defekte” im Vulkanisationssystem
Dies ist der kritischste Faktor, der die Kompressionssetzung bestimmt! Das übliche Schwefelvulkanisationssystem (CV), das wir normalerweise verwenden, bildet hauptsächlich Polysulfidbindungen (-S_x-).
Fataler Fehler: Obwohl Polysulfidbindungen eine gute Reißfestigkeit bieten, ist ihre Bindungsenergie extrem gering. Unter hohen Temperaturen und Druck brechen diese Bindungen. Nach dem Brechen gleiten die Molekülketten in neue, abgeflachte Positionen und vernetzen sich dann neu (es bilden sich neue chemische Bindungen).
Ergebnis: Wenn der Druck entfernt wird, halten die neu gebildeten chemischen Bindungen die Molekülketten fest an ihrem Platz und verhindern, dass sie zurückspringen. Ihr O-Ring ist somit in einem abgeflachten Zustand “eingefroren”.
Ursache 2: Unter-Vulkanisation und fehlende Nachvulkanisation
Phänomen: Um die Produktionsleistung zu maximieren, treiben viele Fabriken die Vulkanisationszeit bis an ihre Grenzen (oft wird nicht einmal t90 erreicht).
Konsequenz: Eine große Menge nicht reagierter Vernetzungsmittel und aktiver Stellen verbleibt im Kautschukcompound. Wenn die Dichtung unter Hochtemperatur-Betriebsbedingungen komprimiert wird, unterliegen diese nicht reagierten Substanzen einer sekundären Vernetzung. Eine Vernetzung im komprimierten Zustand ist so, als würde man die abgeflachte Form dauerhaft in ihrer Struktur “fixieren”.
Dies gilt besonders für FKM und VMQ-Silikon: Ohne eine standardmäßige Nachvulkanisation (typischerweise Ofen-Vulkanisation bei etwa 200°C über mehrere Stunden), um flüchtige Bestandteile zu entfernen und das Vernetzungsnetzwerk zu perfektionieren, werden ihre Werte für die Kompressionssetzung extrem schlecht sein.
Ursache 3: Spannungsrelaxation und Molekülkettenbruch bei hohen Temperaturen
Hohe Temperaturen sind der Erzfeind des Kautschuks. Wenn er über längere Zeit bei 100°C oder sogar 150°C unter Druck steht:
Physikalische Relaxation: Die thermische Bewegung der Polymerketten des Kautschuks verstärkt sich, was zu irreversiblen Gleitbewegungen zwischen den Kettenabschnitten führt.
Chemische Degradierung: Die Hauptkette zerfällt unter dem kombinierten Einfluss von Hitze und Sauerstoff. Ist die Feder erst einmal gebrochen, kann sie natürlich nicht mehr zurückspringen.
Schuldiger 4: Austreten von Weichmachern (Öl)
Wenn Ihre Formulierung große Mengen an Verarbeitungsöl enthält, um die Härte zu reduzieren oder die Kosten zu senken, werden diese Weichmacher beim Kontakt der Dichtung mit heißem Öl oder chemischen Medien extrahiert oder verdampft.
Volumenschwund in Kombination mit Spannungsverlust führt dazu, dass die Dichtung schnell abbaut und zusammenbricht.
Teil 3: Der Arzt-Rezept – Wie können Sie Ihre Dichtungen retten?
Nachdem wir nun die Ursachen identifiziert haben, können wir gezielt Lösungen finden. Wenn Sie hochwertige Dichtungen mit ultraniedriger Kompressionssetzung herstellen möchten, hier ist Ihr praktisches Rezept:
1. Überholung des Vulkanisationssystems (Höchste Priorität)
Verzicht auf herkömmliche Schwefelsysteme:
Wechsel zu EV- (effiziente Vulkanisation) oder SEV- (halb-effiziente Vulkanisation) Systemen. Durch Erhöhung der Beschleunigerdosierung und Reduzierung des Schwefelgehalts bilden sich stabilere Monosulfid- und Disulfidbindungen.
Ultimative Lösung: Peroxid-Vulkanisationssystem (z. B. DCP, BIPB)
Peroxidvernetzung erzeugt Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen (CC), die eine extrem hohe Bindungsenergie und ausgezeichnete Wärmebeständigkeit aufweisen. Diese Bindungen brechen unter Druck nur selten.
Für EPDM- oder NBR-Dichtungen gilt: Wenn der Kunde einen niedrigen Kompressionsverlust verlangt, sollte ohne Zögern ein Peroxidsystem gewählt werden.
2. Wählen Sie den richtigen Basis-Kautschuk
Für Anwendungen über 150 °C wird NBR unabhängig von der Formulierung versagen.
Direktes Upgrade auf:
– HNBR (hydrierter Nitrilkautschuk)
– EPDM (für Wasserbeständigkeit, nicht für Ölbeständigkeit)
– ACM (Acrylatkautschuk)
– FKM (Fluorelastomer)
3. Strenges Nachhärten durchführen
Bei hochwertigen FKM- und Silikondichtungen darf man niemals an der Ofenzeit sparen!
Nachhärtung ist zwingend erforderlich.
Dies reduziert nicht nur den Kompressionsverlust, sondern entfernt auch vollständig toxische oder korrosive Nebenprodukte aus dem Vulkanisationsprozess.
4. Optimierung von Füllstoffen und Weichmachern
Verwenden Sie Ruß mit geringer Struktur und moderater Partikelgröße (z. B. N550, N774) oder hochaktives Silika (mit Kopplungsmitteln). Ruß mit hoher Struktur neigt dazu, ein starres Netzwerk zu bilden, das die Rückgewinnung der Molekülketten einschränkt.
Kontrollieren Sie die Menge flüssiger Weichmacher und wählen Sie ölfreie, extraktionsbeständige, umweltfreundliche Öle oder Esterweichmacher.
Ein Kompressionsverlust ist im Grunde genommen ein mikroskopischer Kampf zwischen Zerstörung und Wiederherstellung.
Das “Versagen” einer Dichtung ist kein plötzlicher Tod. Es ist der allmähliche Abbau und die Neustrukturierung des internen Vernetzungsnetzes unter hohen Temperaturen und Druck.
Als Formulierer und Verfahrenstechniker besteht unsere Aufgabe darin, dem Kautschuk die Festigkeit zu verleihen, sich gegen Verformung zu wehren – und zwar mithilfe der stabilsten chemischen Bindungen (CC-Bindungen, Monosulfidbindungen) sowie des kompaktesten vulkanisierten Netzes.
Wenn Sie das nächste Mal mit Leckageproblemen konfrontiert sind, fügen Sie nicht blind mehr Ruß hinzu.
Fragen Sie sich selbst: Ist Ihr Vulkanisationssystem korrekt?
