Was ist Elastomer in einer Gleitringdichtung?

Im Bereich der Gleitringdichtungen sind Elastomere Polymermaterialien mit elastischen Eigenschaften. Diese vielseitigen Materialien werden in verschiedenen Dichtungskomponenten wie O-Ringen, Bälgen und Sekundärdichtungen eingesetzt, um eine wirksame Abdichtung zu gewährleisten und Flüssigkeitslecks zu verhindern.

Elastomere besitzen einzigartige Eigenschaften wie Flexibilität, Elastizität sowie Beständigkeit gegen Chemikalien und extreme Temperaturen, was sie für anspruchsvolle Industrieanwendungen unverzichtbar macht. Die Auswahl des geeigneten Elastomers für eine bestimmte Gleitringdichtung hängt von Faktoren wie der abzudichtenden Flüssigkeit, der Betriebstemperatur, dem Druck und der chemischen Verträglichkeit ab.

Was ist Elastomer in einer Gleitringdichtung?

Ein Elastomer ist ein entscheidender Bestandteil in Gleitringdichtungen, die in einer Vielzahl von Anwendungen Abdichtung und Flexibilität bieten. Elastomere sind Polymermaterialien mit elastischen Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, sich unter Belastung zu verformen und nach Wegfall der Belastung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Bei Gleitringdichtungen werden Elastomere häufig als Sekundärdichtungen wie O-Ringe, Dichtungen und Bälge verwendet, um Leckagen zu verhindern und Wellenbewegungen auszugleichen.

Eine häufige Anwendung von Elastomeren in Gleitringdichtungen ist die Elastomerbalgdichtung. Diese Dichtungsart besteht aus einem Elastomerbalg, der sowohl als Sekundärdichtung als auch als Federelement fungiert, axiale Flexibilität bietet und eine konstante Dichtkraft aufrechterhält. Elastomerbalgdichtungen sind kompakt, einfach zu installieren und können unabhängig von der Drehrichtung betrieben werden, wodurch sie vielseitig für verschiedene Pumpentypen und -größen einsetzbar sind.

Eigenschaften von Elastomeren

• Elastizität und Flexibilität: Elastomere besitzen die Fähigkeit, sich unter Belastung zu verformen und nach Wegfall der Belastung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Dank dieser Elastizität können Elastomerbälge und andere Dichtungskomponenten Wellenbewegungen, Fehlausrichtungen und Vibrationen ausgleichen, ohne die Dichtfunktion zu beeinträchtigen.
• Durometerhärte: Die Durometerhärte eines Elastomers bezieht sich auf seine Widerstandsfähigkeit gegen Eindrücken und ist ein Maß für seine Festigkeit. Weichere Elastomere bieten eine bessere Abdichtung gegen unregelmäßige Oberflächen, während härtere Elastomere eine verbesserte Abriebfestigkeit bieten und für Anwendungen mit höherem Druck geeignet sind.
• Druckverformungsrestfestigkeit: Druckverformungsrestfestigkeit ist die Fähigkeit eines Elastomers, seine Dichtkraft beizubehalten und nach längerer Kompression seine ursprüngliche Form wieder anzunehmen. Elastomere mit hoher Druckverformungsrestfestigkeit minimieren das Risiko eines Dichtungsversagens aufgrund dauerhafter Verformung und gewährleisten eine gleichbleibende Dichtleistung über längere Zeiträume.
• Zugfestigkeit: Die Zugfestigkeit bezeichnet die maximale Spannung, der ein Elastomer standhalten kann, bevor es bricht. Elastomere, die in Gleitringdichtungen verwendet werden, müssen eine ausreichende Zugfestigkeit aufweisen, um den durch den abgedichteten Flüssigkeitsdruck und die Federbelastung der Dichtungsanordnung erzeugten Kräften standzuhalten.
• Bruchdehnung: Die Bruchdehnung ist die maximale Dehnung, die ein Elastomer ertragen kann, bevor es reißt. Elastomere mit hoher Bruchdehnung können erhebliche Verformungen ohne Versagen aushalten und bieten so eine Sicherheitsmarge im Falle unerwarteter Belastung oder Bewegung.
• Chemische Beständigkeit: In Gleitringdichtungen verwendete Elastomere müssen einer Zersetzung standhalten, wenn sie der abgedichteten Flüssigkeit und der umgebenden Umwelt ausgesetzt werden.
• Temperaturbeständigkeit: Der Betriebstemperaturbereich ist ein weiterer entscheidender Faktor bei der Auswahl des geeigneten Elastomers für eine Gleitringdichtung. Elastomere müssen ihre Eigenschaften und Dichtleistung über den erwarteten Temperaturbereich der Anwendung hinweg beibehalten.

Arten von Elastomeren, die in Gleitringdichtungen verwendet werden

Nitril (NBR)

Nitril, auch als Buna-N bekannt, ist aufgrund seiner hervorragenden Beständigkeit gegen Öle, Kraftstoffe und andere Flüssigkeiten auf Kohlenwasserstoffbasis ein beliebtes Elastomer für Gleitringdichtungen. Es bietet eine gute Abriebfestigkeit und hält Temperaturen von -30 °C bis 110 °C stand. NBR wird häufig in Anwendungen mit Erdölprodukten wie Automobilflüssigkeiten und Schmiermitteln verwendet.

Fluorelastomer (FKM)

Fluorelastomere, oft als Viton® bezeichnet, weisen eine außergewöhnliche chemische Beständigkeit auf und können hohen Temperaturen bis zu 200 °C standhalten. Sie sind beständig gegen eine Vielzahl aggressiver Chemikalien, darunter Säuren, Basen und Lösungsmittel. FKM ist eine ideale Wahl für Gleitringdichtungen in der chemischen Verarbeitung, der Pharmaindustrie sowie der Öl- und Gasindustrie.

Silikon (VMQ)

Silikonelastomere sind für ihre ausgezeichnete thermische Stabilität und Flexibilität über einen weiten Temperaturbereich von -60 °C bis 230 °C bekannt. Sie bieten eine gute Beständigkeit gegen Ozon, UV-Strahlung und Witterungseinflüsse. Silikon ist jedoch nur begrenzt beständig gegen Öle und Lösungsmittel. Es wird häufig in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in medizinischen und pharmazeutischen Anwendungen eingesetzt.

Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)

EPDM ist ein vielseitiges Elastomer mit hervorragender Hitze-, Ozon- und Witterungsbeständigkeit. Es hält Temperaturen von -50 °C bis 150 °C stand und ist mit einer Vielzahl von Flüssigkeiten kompatibel, darunter Wasser, Dampf und milde Chemikalien. EPDM wird häufig in der Automobil-, HLK- und Industriebranche eingesetzt.

Perfluorelastomer (FFKM)

Perfluorelastomere wie Kalrez® und Chemraz® sind die chemisch beständigsten Elastomere auf dem Markt. Sie halten extremen Temperaturen bis zu 327 °C stand und sind mit praktisch allen Chemikalien kompatibel, einschließlich hochaggressiver Säuren, Basen und Lösungsmittel. FFKM wird in kritischen Anwendungen eingesetzt, bei denen ein Dichtungsversagen schwerwiegende Folgen haben kann, wie etwa bei der Halbleiterherstellung und der chemischen Verarbeitung.

Hydrolysebeständiges Polyurethan (HPU)

HPU-Elastomere sind speziell dafür ausgelegt, Hydrolyse zu widerstehen, also den Abbau des Elastomers durch Wasser und hohe Temperaturen. Sie bieten eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit und halten Temperaturen bis zu 120 °C stand. HPU wird häufig in Gleitringdichtungen für Pumpen verwendet, die Wasser, Abwasser und andere wässrige Lösungen fördern.

Vorteile von Elastomeren

Hervorragende Dichtungsleistung

Elastomere, die in Gleitringdichtungen verwendet werden, bieten eine hervorragende Dichtleistung in einer Vielzahl von Anwendungen. Ihre Elastizität und Flexibilität ermöglichen es ihnen, sich eng an die Oberflächen anzupassen, die sie abdichten, und bilden eine dichte Barriere, die Leckagen verhindert. Dies ist besonders wichtig bei dynamischen Anwendungen wie Kreiselpumpen, wo die Dichtung Wellenbewegungen ausgleichen und gleichzeitig eine zuverlässige Abdichtung gewährleisten muss.

Chemische Verträglichkeit

Ein weiterer wichtiger Vorteil von Elastomeren bei Dichtungsanwendungen ist ihre chemische Beständigkeit. Verschiedene Elastomerverbindungen sind so formuliert, dass sie dem Kontakt mit verschiedenen Chemikalien, Lösungsmitteln, Ölen und anderen Flüssigkeiten standhalten. Fluorelastomere (FKM) beispielsweise weisen eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen viele aggressive Chemikalien, Kraftstoffe und Öle auf und eignen sich daher für den Einsatz in anspruchsvollen Industrieumgebungen. Ebenso weisen EPDM-Elastomere eine gute Beständigkeit gegen Wasser, Dampf und viele polare Lösungsmittel auf.

Temperaturbeständigkeit

Elastomere, die in Gleitringdichtungen verwendet werden, sind außerdem in einem breiten Temperaturbereich einsetzbar. Verschiedene Elastomerverbindungen haben unterschiedliche Temperaturbeständigkeiten, wobei einige extrem hohe oder niedrige Temperaturen aushalten. Fluorelastomere können beispielsweise Temperaturen von bis zu 200 °C oder mehr standhalten, während Silikonelastomere ihre Eigenschaften bei Temperaturen von bis zu -60 °C beibehalten.

Abrieb- und Verschleißfestigkeit

Bei Anwendungen mit abrasiven Medien oder Partikeln bieten Elastomere im Vergleich zu anderen Dichtungsmaterialien eine gute Abrieb- und Verschleißfestigkeit. Aufgrund ihrer Elastizität können Elastomere Stöße durch abrasive Partikel ohne bleibende Schäden absorbieren. Einige Elastomerverbindungen, wie z. B. hydrolysebeständiges Polyurethan (HPU), sind speziell für eine verbesserte Abriebfestigkeit formuliert.

Vibrations- und Stoßdämpfung

Aufgrund ihrer inhärenten Dämpfungseigenschaften eignen sich Elastomere hervorragend zum Absorbieren von Vibrationen und Stoßbelastungen in mechanischen Systemen. Bei Anwendungen mit hohen Vibrationen oder plötzlichen Stoßkräften helfen Elastomerkomponenten in Gleitringdichtungen, die Dichtungsflächen und andere kritische Komponenten vor Beschädigungen zu schützen. Das Elastomer wirkt als Puffer, leitet Energie ab und reduziert die Übertragung von Vibrationen auf die Dichtungsflächen.

Kosteneffektivität

Elastomere sind im Allgemeinen kostengünstiger als andere spezielle Dichtungsmaterialien. Die Rohstoffe und Herstellungsverfahren für Elastomere sind im Vergleich zu exotischen Legierungen oder hochentwickelter Keramik in der Regel weniger teuer. Darüber hinaus können Elastomere aufgrund ihrer Vielseitigkeit in einer Vielzahl von Gleitringdichtungskonstruktionen und -anwendungen eingesetzt werden, wodurch der Bedarf an kostspieligen Sonderlösungen reduziert wird.

Faktoren, die die Elastomerleistung beeinflussen

Betriebstemperatur

Elastomere haben bestimmte Temperaturgrenzen, jenseits derer sich ihre mechanischen Eigenschaften verschlechtern. Beispielsweise ist Nitril (NBR) für Temperaturen von -30 °C bis 110 °C geeignet, während Fluorelastomere (FKM) -20 °C bis 200 °C standhalten. Das Überschreiten des empfohlenen Temperaturbereichs kann dazu führen, dass das Elastomer hart wird, weich wird oder sich zersetzt, was die Leistung und Lebensdauer der Dichtung beeinträchtigt.

Chemische Verträglichkeit

Das Elastomer muss der chemischen Umgebung standhalten, ohne übermäßig aufzuquellen, zu schrumpfen oder abzubauen. Verschiedene Elastomere bieten Beständigkeit gegen verschiedene Chemikalien:

• Nitril (NBR): Beständig gegen Mineralöle, Fette und einige Kraftstoffe
• Fluorelastomer (FKM): Hervorragende Beständigkeit gegen aggressive Chemikalien, Öle und Lösungsmittel
• EPDM: Gute Beständigkeit gegen Ketone, Alkohole und Bremsflüssigkeiten, aber schlechte Beständigkeit gegen Öle
• FFKM: Überlegene chemische Beständigkeit, widersteht einer Vielzahl aggressiver Chemikalien

Eine Unverträglichkeit zwischen Elastomer und Medium kann zum Versagen der Dichtung und zu Undichtigkeiten führen.

Druck

Hohe Drücke können zu übermäßiger Druckverformung führen, wodurch die Fähigkeit des Elastomers, eine ordnungsgemäße Abdichtung aufrechtzuerhalten, beeinträchtigt wird. Die Druckgrenze hängt vom Elastomertyp und der Dichtungskonstruktion ab. Beispielsweise kann eine Gummibalgdichtung mit kompakter Bauweise im Vergleich zu einem Standard-O-Ring höhere Drücke aushalten.

Abrieb und Verschleiß

Bei Anwendungen mit abrasiven Partikeln oder Medien muss das Elastomer eine gute Abriebfestigkeit aufweisen, um vorzeitigem Verschleiß vorzubeugen. Härtere Elastomere wie FKM oder FFKM bieten im Allgemeinen eine bessere Abriebfestigkeit als weichere Materialien wie Silikon oder EPDM. Bei dynamischen Anwendungen, die Flexibilität erfordern, können härtere Elastomere jedoch die Dichtleistung beeinträchtigen.

Wellendrehzahl und Rundlauf

Bei dynamischen Dichtungsanwendungen muss das Elastomer Wellenbewegungen und Rundlauf ausgleichen. Hohe Wellengeschwindigkeiten können Hitze erzeugen und zu schnellerem Verschleiß des Elastomers führen. Übermäßiger Wellenrundlauf oder Fehlausrichtung können zu ungleichmäßigem Verschleiß und Leckagen führen. Elastomere mit guter Druckverformungsbeständigkeit und Elastizität, wie FKM oder FFKM, sind für Hochgeschwindigkeitsanwendungen besser geeignet. Eine geeignete Dichtungskonstruktion, wie z. B. die Integration einer Schraubenfeder oder von Windungen, kann dazu beitragen, Wellenbewegungen auszugleichen und die Dichtungswirksamkeit aufrechtzuerhalten.