Grenzen und Möglichkeiten von Prüfverfahren

Wärmeschrank mit geöffneter Tür und Einlegegittern, auf welchen die Probekörperhalterungen platziert werden (Bild: O-Ring Prüflabor Richter GmbH)

27.03.2017 Grenzen und Möglichkeiten von Prüfverfahren

Teil 6: Heißluftalterung von Elastomeren – Definition, Alterungsmechanismen und Aussagen

von Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Blobner (O-Ring Prüflabor Richter GmbH), Dipl.-Ing. Bernhard Richter (O-Ring Prüflabor Richter GmbH)

Um die Funktion einer Dichtung sicherzustellen, werden diese und die jeweiligen Dichtungswerkstoffe verschiedenen Mess- und Prüfverfahren unterzogen. Doch was leisten die einzelnen Verfahren, wo sind die Grenzen? Diese Serie gibt Konstrukteuren, Einkäufern und Qualitätsmanagern einen Überblick über die üblichen Verfahren und Praxistipps zur Einordnung der Ergebnisse. Dieser und der nächste Beitrag in DICHT! 2.2017 geben eine Übersicht über die Heißluftalterung.

Die Bezeichnung „Alterung“ beschreibt bei Elastomeren eine Vielzahl von Prozessen, die zu einem chemischen und physikalischen Um- und Abbau  ausvulkanisierter Probekörper oder Fertigteile führen. Es wurden etliche Alterungs-Prüfmethoden entwickelt, die versuchen, in einer Art „Zeitraffer“ diese Schädigungsmechanismen aus dem Alltagseinsatz von Dichtungswerkstoffen labortechnisch abzubilden. Die Schädigungsprozesse im Alterungsprozess sind irreversibel und führen nach einer bestimmten Zeit- und Temperaturbelastung zu einer Unbrauchbarkeit des Werkstoffes. Die wissenschaftliche Erfassung und Bewertung dieser Alterungsvorgänge soll u.a. dazu dienen, dass bei der Anwendung von Werkstoffen ermittelte Zeit- und Temperaturgrenzen nicht überschritten werden. Alterung kann durch verschiedene Prozesse ausgelöst werden:
• Alterung durch Strahlung – UV-Strahlung, Licht, radioaktive Strahlung,
• Alterung durch mechanische Beanspruchung – statische bzw. dynamische Belastung,
• Alterung durch Kontaktmedien – von außen einwirkend (z.B. Kupfer), durch flüssige Medien (z.B. Öle, Kraftstoffe, Säuren, Wasser u.v.m.) oder in der Werkstoffstruktur vorhanden (z.B. Verunreinigungen, Inhomogenitäten),
• Alterung durch biologische Prozesse,
• Alterung durch Gase – Umgebungsluft (darin insbesondere durch Sauerstoff), Ozon, sonstige Gase (z.B. Blowby-Gase aus dem Motorkurbelgehäuse), Alterung durch Temperatur – ohne Gas- bzw. Luftzufuhr, also in inerter bzw. abgeschlossener Atmosphäre (z.B. im Autoklaven), oder mit Frischluftzufuhr (eine  Kombination von Alterung durch Gase (O2) und Temperatur).

Bei der Heißluftalterung handelt es sich um eine Methode, die die beiden letzten Punkte kombiniert, also um eine genormte Alterungsprüfung mithilfe erhitzter Umgebungsluft. Dabei wird ein genormter Probekörper über einen vorab bestimmten Zeitraum bei einer vorab festgelegten konstanten Temperatur heißer Umgebungsluft ausgesetzt. Dies geschieht entweder für mehrere Proben in einer Art Umluftofen mit Frischluftzufuhr »1 oder in nach Proben getrennten Zellenöfen »2. Die Bewertung der heißluftgealterten Werkstoffe erfolgt mithilfe eines Vergleichs physikalischer Werte (z.B. Härte, Zugfestigkeit, Reißdehnung u.ä.) vor und nach der Alterung.

Durch die Heißluftalterung verhärten die meisten Elastomere und die physikalischen Eigenschaften, wie z.B. die Zugfestigkeit und Reißdehnung, nehmen gravierend ab. Die Eigenschaften eines Elastomerwerkstoffes ändern sich exponentiell mit der Temperatur (Arrheniusfunktion) und eher linear mit der Expositionszeit. Deswegen ist es wichtig, den Grenzeinsatztemperaturbereich des Elastomers zu kennen (die wiederum von der Beanspruchungszeit abhängt), da sich dort kleine Temperaturerhöhungen bereits stark bemerkbar machen können.