Wie vermeide ich das Aufquellen bei O-Ringen?

#1 Optimale Paarung von O-Ring Werkstoffen und prozessmedium finden

Im Idealfall erfüllen O-Ringe ihre Aufgabe ganz unauffällig. Doch sie können ganze Anlagen lahmlegen, wenn sie versagen. Dann kommt es schnell zu hohen Stillstandskosten oder ganze Produktchargen müssen aufgrund möglicher Verschmutzungen entsorgt werden.

Entsprechende Erfahrung im Umgang mit den Dichtungselementen vorausgesetzt, lässt sich jedoch eine Vielzahl der Ausfallursachen vermeiden. Im Betrieb kommen O-Ringe nicht nur in Kontakt mit Luft, Wasser und Schmierstoffen. Können diese vermeintlich harmlosen Stoffe den Elastomerwerkstoffen schon erheblich zusetzen, verwendet die Industrie zahlreiche weitere aggressive Prozessmedien. Die fallspezifische Auswahl eines O-Ring-Werkstoffes mit entsprechender Medienbeständigkeit ist entscheidend für eine haltbare Abdichtung.

#2 Schadensmechanismen bei O-Ringen

Im Dichtungssystem ist der O-Ring zahlreichen Beanspruchungen ausgesetzt. Für einen Ausfall sorgt oft ein komplexes Zusammenwirken vieler Faktoren. Häufig sind mögliche Wechselwirkung zwischen Medien, Temperaturen und mechanischer Belastung zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme nur schwer abzusehen. Umso wichtiger ist eine gründliche Schadensanalyse im Fall eines Dichtungsversagens. Experten unterscheiden zwischen diesen Schadenskategorien.

#3 Schaden durch mechanische Belastung

Mechanische Einflüsse wirken, wenn der O-Ring mit Druck beaufschlagt wird. Dabei kommt es zu Verformungen, die nicht immer vollständig reversibel sind. Verändert sich dann die Position der abzudichtenden Bauteile zueinander, kann das zu Undichtigkeiten führen. Mechanische Schäden können aber auch bereits bei der Montage durch Verdrillen, Quetschen oder Überdehnen entstehen.

#4 Schaden durch Alterung

Daneben unterliegen die gängigen O-Ring-Werkstoffe einem Alterungsprozess. Nur durch ihre elastischen Eigenschaften können sie den Dichtspalt überbrücken. Verantwortlich dafür sind die weitmaschigen Vernetzungen von Polymeren, die bei der Vulkanisation entstehen. Bei diesem Kernprozess der O-Ring-Herstellung erhält ein extrudierter Kautschukrohling unter der Wirkung von Hitze und Druck den elastischen Zusammenhalt. Ab diesem Zeitpunkt kehrt der O-Ring nach einer extern bedingten Formänderung nahezu vollständig in seine ursprüngliche Form zurück.

Doch mit der Entformung beginnt auch die Alterung des Dichtungsrings. Schon normal temperierte Raumluft kann O-Ringe allmählich von ihren erwünschten Eigenschaften einbüßen lassen. Das ist bei O-Ringen aus NBR besonders stark ausgeprägt: Ozon ist ein Molekül aus drei Sauerstoffatomen und ist. Es bildet sich durch UV-Strahlung und kommt auf natürliche Weise in der Atmosphäre vor. Daneben können elektrische Geräte können als Ozonquelle fungieren. Ozon ist sehr reaktiv und wirkt auf NBR ein. Dabei bricht das Gas ungesättigte Kohlenstoffbindungen des Elastomers auf und vermindert dessen Zusammenhalt. In der Konsequenz wird das Material brüchig. Werden sie während der Lagerung nicht vor dem Kontakt mit dem Gas geschützt, können NBR-O-Ringe bereits erheblich geschädigt sein, bevor sie überhaupt zum Einsatz kommen. Auch andere Elastomere altern je nach Rezeptur mehr oder weniger stark.

#5 Schaden durch medieneinflüsse

Im industriellen Einsatz kommen O-Ringe mit einer Vielzahl an Medien in Kontakt. Dazu zählen in der Lebensmittelindustrie unter anderem Öle oder Aromastoffe. Dazu kommen aggressive Reinigungs- und Sterilisationsmedien. In der Pharma- und Chemieindustrie treffen O-Ringe auf die gesamte Bandbreite aus Säuren, Laugen und Lösungsmitteln.

Eine Beschädigung des O-Rings durch Prozessmedien kann zwei Mechanismen folgen. Bei der physikalischen Beeinflussung kommt es in der Regel zu einer Quellung des O-Rings. Dabei dringt das Medium in den Elastomerwerkstoff ein. Die Konsequenz ist eine Volumenzunahme, die die Polymermatrix schädigen kann. Das Dichtungselement büßt einen Teil seiner Festigkeit ein, bleibt jedoch elastisch. Es ist in der Folge anfälliger für Ausbrüche oder die Spaltextrusion. Außerdem kann es zu einer Nutüberfüllung kommen. Dann übersteigt das Volumen des O-Rings den durch Breite und Tiefe der Nut festgelegten Einbauraum deutlich. Besonders in dynamischen Anwendungen können bereits verhältnismäßig geringe Quellungen zu einem Versagen führen. Schließlich ist in solchen Systemen die Reibung besonders entscheidend. Eine zu erwartende Quellung sollte bereits bei der Gestaltung der Einbausituation berücksichtigt werden. Auch der umgekehrte Effekt zur Quellung ist möglich. Bei der Schrumpfung löst das Kontaktmedium Mischungsbestandteile aus dem O-Ring. Dieser verliert an Volumen, sodass eine Mindestverpressung zwischen Dichtfläche und Nutgrund nicht mehr gewährleistet ist. Hier ist die Konsequenz ebenfalls der Verlust der Dichtwirkung. Beide Vorgänge können jedoch zumindest teilweise umkehrbar sein.

Nun zur chemischen Zerstörung der Netzwerkstruktur der Elastomerwerkstoffe, die das Material hart und spröde macht. Dabei greift das Medium direkt das Netzwerk aus langkettigen Polymeren an, das den O-Ring-Werkstoffen ihre elastischen Eigenschaften gibt. An die Stelle der alten langkettigen Bindungen treten kürzere Segmente oder der Werkstoff wird weiter vernetzt, was zu einer höheren Steifigkeit führt. Bei einer Kolbendichtung kann das dazu führen, dass die radiale Anpresskraft durch die Vorspannung des O-Rings vollständig verloren geht. Dann reichen schon kleine Druckunterschiede oder mechanische Belastungen für eine Leckage aus. Experten achten bei der Schadensanalyse auf diese Anzeichen für einen Medienangriff:

• Verlust der gummielastischen Eigenschaft und Verhärtung
• Risse und Sprödigkeit auf der dem Medium ausgesetzten Seite
• Deutliche Quellung oder Schrumpfung
• Klebrigkeit der Oberfläche  

#6 Wovon hängt die Medienbeständigkeit ab?

Grundsätzlich gilt: Die Grundlage für die Medienbeständigkeit eines O-Rings schafft das Basispolymer. Es gibt mit Alterungsverhalten und Temperaturgrenzen weitere grundlegende technische Eigenschaften vor. Jedoch gehen viele zusätzliche Bestandteile in die Rezepturen moderner O-Ring-Werkstoffe ein. Dazu zählen unter anderem Füllstoffe, Weichmacher, Alterungsschutzmittel oder Vulkanisationsbeschleuniger. Die Rezepturbestandteile dienen dazu, die technischen Eigenschaften des Vulkanisates genau auf die Anforderungen abzustimmen. Die hohe Vielfalt an Kautschuken erlaubt eine spezifische Auswahl geeigneter O-Ringe für den jeweiligen Anwendungsfall.

Die für O-Ringe gängigen Basiselastomere unterscheiden sich im Aufbau ihrer Polymerketten. Es gibt aber auch innerhalb eines Elastomers unterschiedliche Vernetzungssysteme. Die Vernetzung schafft den elastischen Zusammenhalt zwischen den Polymerketten. Beispielsweise können FKM-O-Ringe bisphenolisch oder peroxidisch vernetzt sein. Dabei steigert die peroxidische Vernetzung die Beständigkeit an Heißwasser. Der Werkstoff erhält eine bessere Beständigkeit gegenüber der Hydrolyse. Das ist der chemische Prozess des Polymerabbaus durch die Reaktion mit Wasser. Dies geht jedoch auf Kosten der maximalen Einsatztemperatur.

#7 Medienbeständigkeit der wichtigsten O-ring werkstoffe

So müssen Ingenieure bei der Werkstoffauswahl meist mehrere Faktoren gegeneinander abwägen. Das ist auch bei Silikon (VMQ) nicht anders. Der Werkstoff eignet sich sehr gut für Lebensmittelanwendungen, denn er ist physiologisch inert. Gerade bei der häufig eingesetzten Dampfsterilisation hat er aber seine Schwächen.

#7.1 EPDM

EPDM ist dagegen ein Werkstoff, der sich für solche Heißwasseranwendungen eignet. Zwar sind O-Ringe aus diesem Elastomer besonders flexibel einsetzbar und wirtschaftlich, doch hier gibt es ebenfalls Grenzen. Denn bestimmte Fette oder Öle bringen das Material zum Quellen. Darum muss der Kontakt von EPDM mit diesen Stoffen bereits bei Montage und Lagerung unbedingt vermieden werden. Der Grund dafür ist eine ähnliche Ladungsverteilung bei den Molekülen. Sie sorgt dafür, dass die Medien EPDM lösen können.

#7.2 NBR

Sehr gut beständig gegenüber Ölen und Erdgasen sind dagegen O-Ringe aus NBR. Verantwortlich dafür ist hauptsächlich der Gehalt von Acryl-Nitril (ACN). Mit einem wachsenden Mischungsanteil nehmen aber Elastizität und Rückstellkraft ab. NBR-O-Ringe sind nicht für den Einsatz mit heißem Prozesswasser oder Lösungsmitteln geeignet. Außerdem ist die Beständigkeit gegen Alterung und Witterungseinflüsse eingeschränkt.

#7.3 FKM und FFKM (Ecolast®)

FKM und FFKM sind fluorierte Elastomere. Das heißt, dass zumindest ein großer Anteil der Wasserstoffatome des Polymers durch Fluor ersetzt wird. Diese Zusammensetzung sorgt ebenfalls für eine gute Beständigkeit gegenüber Medien auf Mineralölbasis. Darüber hinaus quellen sie in den Flüssigkeiten kaum. Daher eignen sich sehr gut für den Langzeiteinsatz. Die fluorierten Elastomere zeichnen sich darüber hinaus durch ihre Alterungsbeständigkeit aus. FFKM stellt als vollständig fluorierter Kautschuk eine Weiterentwicklung von FKM dar. O-Ringe aus diesem Werkstoff eignen sich gegenüber FKM für deutlich höhere Maximaltemperaturen. FFKM ist der elastische O-Ring-Werkstoff mit den besten Beständigkeitseigenschaften gegenüber Lösungsmitteln, aggressiven Säuren und Laugen. Die Kosten für die Dichtungselemente sind jedoch vergleichsweise hoch.

#7.4 PTFE (Teflon)

Ein ganz ähnliches Beständigkeitsprofil zu FFKM weist PTFE auf. Dem Werkstoff fehlt jedoch mit der Elastizität eine zentrale Eigenschaft für Dichtungselemente. Deswegen sind PTFE-O-Ringe für mechanische Belastungen eher ungeeignet. Eine Weiterentwicklung kann dieses Hindernis jedoch teilweise überwinden. PTFE-umhüllte Elastomere verbinden die Medienbeständigkeit mit der Fähigkeit zur flexiblen Formänderung. Mit FEP und PFA gibt es jedoch fluorierte Polymere, die sich noch besser für die Herstellung hybrider Dichtungselemente mit Elastomerkern eignen.

Luke Williams
Luke Williams

AUTOR DER DICHTUNGSAKADEMIE

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