Gleitreduzierter Dichtungswerkstoff mit USP Class VI

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15.06.2011 Hochreine Werkstoffe für den Einsatz in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie und besonders der Pharmazie sollen möglichst keine Weichmacher oder andere niedermolekulare und damit extrahierbare Bestandteile enthalten. Um den ebenfalls ungewollten Abrieb zu verhindern und die Einsatzdauer zu verlängern, steht die RFN-Behandlung (Reduced Friction by Nanotechnology) zur Verfügung.

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Entscheider-Facts Für Betreiber


  • Eine besonders vorteilhafte Variante, das Reibungsverhalten zu minimieren, stellt die RFN-Behandlung dar.
  • Hierbei wird die Elastomeroberfläche im Nanomaßstab so verändert, dass die Kontaktfläche wesentlich verkleinert und verhärtet wird, ohne die elastischen Eigenschaften des Elastomers negativ zu beeinflussen.
  • Da die RFN-Schicht chemisch äußerst beständig und verschleißfester als übliche Elastomere ist, werden für die so beschichteten Dichtungen sehr gute Standzeiten erreicht.
  • Außer der Reibung werden keine anderen Eigenschaften des jeweiligen Basiswerkstoffes verändert.
  • Die RFN-Behandlung ist besonders für chemisch und dynamisch hochbeanspruchte Dichtungsbauteile wie Klappendichtungen ein wesentlicher Beitrag zur Energieeinsparung durch Schaltmomentverringerung und Standzeitverlängerung.

Geprüft wird diese Forderung nach Reinheit durch Extraktion mit verschiedenen Lösemitteln, bei der globale und spezifische Migrationswerte nicht überschritten werden dürfen. Werkstoffe wie der weiße EPDM253815, die die Vorgaben der FDA, USP Class VI und der 1935/2004 erfüllen, sind damit aber fast zwangsläufig sehr „stumpfe“ oder „trockene“ Werkstoffe mit tendenziell größerer Reibung. Neben den teilweise sehr aggressiven Medien, die in der Lebensmittel- sowie der Getränkeindustrie und besonders der Pharmaproduktion eingesetzt werden, tragen auch die immer schärferen Reinigungsbedingungen dazu bei, dass Gummi-Inhaltsstoffe in messbarer Menge aus der Elastomermatrix migrieren. Die Federal Drug Administration (FDA) verlangt hierzu im Paragraphen CFR 177.2600 Extraktionsversuche in destilliertem Wasser und n-Hexan – je nachdem, ob der Werkstoff in Kontakt zu wässrigen (polaren) oder fetthaltigen (apolaren) Lebensmitteln kommt. Dabei müssen diese globalen Migrationsgrenzwerte ungeachtet einer eventuellen Gefährlichkeit der extrahierten Stoffe erfüllt werden. Für den nochmals kritischeren Einsatz in pharmazeutischen Anlagen wird häufig die Konformität nach USP Class VI gefordert. Hierbei wird das Material mit verschiedenen Simulanz-Flüssigkeiten extrahiert (isotonische Kochsalzlösung, 5 % Ethanol in isotonischer Kochsalzlösung, Polyethylenglykol 400 und Pflanzenöl) und diese Extrakte – im Extremfall sogar die Bauteile selbst – auf ihre Wirkung hin untersucht.

Reinheit kommt auch bei der Farbe zum Ausdruck

Die Migrationsneigung von Gummibestandteilen wird von ihrer Polarität und Molekül- oder Aggregatgröße beeinflusst. Eine besonders ungünstige Kombination ergibt sich bei niedermolekularen Stoffen, wie Weichmachern oder Gleitwachsen, die aus diesem Grund nur sehr stark eingeschränkt verwendet werden sollten. Um besonders reine Werkstoffe zu erhalten, versucht man vollständig auf diese Stoffe zu verzichten.

Die Werkstoffe der Reihe EPDM290, 291 und 292 und der neue EPDM253815 sind daher weichmacherfrei compoundiert. So können sie in den anspruchsvollsten Bereichen der Lebensmittel- und Getränkeindustrie und der Pharmazie eingesetzt werden. Speziell beim EPDM253815 kommt die Reinheit auch bei der Farbe zum Ausdruck: Entgegen der bei EPDM üblichen schwarzen Farbe war es hier erstmals möglich, einen weißen EPDM zu schaffen, der mit einer rußgefüllten Mischung vergleichbare Leistungen besitzt. Die üblichen Schwächen weißer EPDM in üblichen Reinigungsmedien konnten wirkungsvoll verringert werden, der EPDM253815 reicht in seiner Leistungsfähigkeit in gewissen Bereichen an den EPDM 291 heran.
Bei Werkstoffen mit einem geringen Anteil an Weichmachern ergibt sich häufig ein Zielkonflikt mit der für einen Einsatz an dynamischen Dichtstellen geforderten geringen Reibung. So sind diese Werkstoffe vergleichsweise „trockene“ oder auch „stumpfe“ Materialien. Dieser Effekt wird durch den Verzicht auf Weichmacher zugunsten geringster Leach-out-Werte noch verstärkt. Die Zumischung von Gleitwachsen wiederum, die während der Lebensdauer des Elastomerbauteils ausschwitzen, verhindert eine Freigabe nach USP Class VI, so dass in besonders kritischen Anwendungen ein Einsatz dieser reibungsreduzierenden Substanzen ebenfalls nicht in Frage kommt.
Neben diesen bereits bei der Mischungsherstellung bestehenden Möglichkeiten der Reibungsreduzierung existieren noch weitere unter Berücksichtigung der Geometrie des Dichtungsbauteils. So lässt sich die Dichtung bei entsprechenden Gegebenheiten derart ausführen, dass sich Schmiertaschen für das abzudichtende Medium bilden beziehungsweise deren Bildung wirkungsvoll unterstützt wird. Ein Beispiel hierfür ist eine Mikrorillierung. Aber auch zusätzlich aufgetragene Gleitlacke weisen nur geringe Laufleistungen auf und eignen sich daher nur sehr begrenzt zur dauerhaften Reibungsreduzierung an hochbelasteten dynamischen Dichtstellen. Neben diesen rein physikalischen Methoden existiert noch eine Reihe von chemischen Verfahren, von denen die Halogenierung von Elastomeren die bekannteste ist, die aber auch in ihrer Wirkung und Anwendbarkeit begrenzt ist.

Reduced Friction by Nanotechnology

Eine besonders vorteilhafte Variante, das Reibungsverhalten zu minimieren, stellt die RFN-Behandlung (Reduced Friction by Nanotechnology) dar. Hierbei wird die Elastomeroberfläche im Nanomaßstab so verändert, dass die Kontaktfläche wesentlich verkleinert und verhärtet wird, ohne die elastischen Eigenschaften des Elastomers negativ zu beeinflussen.

Die Schicht selbst ist homogen und fest an das Elastomer gebunden. Dabei liegen die Bindungskräfte in der gleichen Größenordnung wie die Bindungen im Polymer, so dass die Schicht nicht abgerieben werden kann. Selbst bei starken Dehnungen kann die RFN-Schicht dem Elastomer folgen. Da sie chemisch äußerst beständig und verschleißfester als übliche Elastomere ist, werden für die so beschichteten Dichtungen sehr gute Standzeiten erreicht.
Außer der Reibung werden keine anderen Eigenschaften des jeweiligen Basiswerkstoffes verändert. Damit bietet sich die RFN-Behandlung auch für die Aufwertung bereits langjährig existierender Dichtungsbauteile an. Eine schnelle und problemlose Umstellung ist durch nanoskalige Behandlung ohne Werkzeuganpassungen möglich.
Die Überlegenheit der RFN-Behandlung gegenüber dem traditionellen und in sensiblen Bereichen nur sehr eingeschränkt möglichen Einmischen von Gleitwachsen zeigt sich bei Reibversuchen mit Klappendichtungen. Werden Klappendichtungen mit internem Gleitmitteln längere Zeit mit Dampf bei 130 °C beaufschlagt, so zeigen ihre Drehmomente deutliche Veränderungen, während die Drehmomente der RFN-behandelten Dichtungen stabil und fast auf dem Anfangsniveau liegen.

Reibkoeffizient RFN-behandelter Prüflinge deutlich geringer

Dieses positive Beeinflussen der Reibung durch die RFN-Behandlung lässt sich auch für den Kontakt mit anderen industrieüblichen Reinigungsmedien der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie der Pharmazie nachweisen. So wurden basische, saure und oxidierend wirkende Reinigungsmedien bei den schärfsten von den Herstellern empfohlenen Bedingungen in ihrer Auswirkung auf den Drehmomentverlauf untersucht. Dabei zeigt erwartungsgemäß der am längsten gelagerte Prüfling ohne RFN-Behandlung den höchsten und über den Gleitweg instabilsten Reibkoeffizienten. Dies kann dadurch erklärt werden, dass nach 300 h Lagerung das aus dem Elastomer austretende Gleitwachs durch die aggressiven Medien abgewaschen wurde und nicht mehr weiter aus dem Materialkern nachdiffundieren konnte. Demgegenüber hat die 168 h lange Lagerung in den aggressiven Prüfmedien noch nicht ausgereicht, das Gleitwachs des Werkstoffes vollständig zu verzehren, wohl aber die Oberfläche und die oberflächennahen Schichten entsprechend abzureichern. Nach einer Einlaufphase mit höherem Reibkoeffizienten sinkt dieser mit Nachdiffundieren des Gleitwachses und zeigt danach einen geringen Anstieg mit zunehmender Laufleistung. Der nicht gelagerte Prüfling zeigt einen ähnlichen Anstieg ohne diese Einlaufphase; hier steht das Gleitwachs ja auch direkt zur Verfügung. Der Unterschied des Reibkoeffizienten lässt sich durch die bereits durch die Medien erfolgten Angriffe der Oberfläche sowie durch die Differenz an absolut zur Verfügung stehenden gleitaktiven Substanzen erklären.

Demgegenüber sind die Reibkoeffizienten aller mit RFN-behandelten Prüfkörper deutlich geringer und liegen bei etwa der Hälfte des ungelagerten Prüflings. Die Vorteile einer RFN-Behandlung werden aber erst durch den Vergleich mit gelagerten Proben deutlich; je nach Lagerungsdauer beträgt der Reibkoeffizient nur rund ein Drittel bis ein Fünftel. Speziell für hochreine Werkstoffe bietet RFN entscheidende Vorteile, da bereits existierende Freigaben des Ausgangsmaterials durch die Behandlung nicht verändert werden. Die RFN-Behandlung ist also besonders für chemisch und dynamisch hochbeanspruchte Dichtungsbauteile wie Klappendichtungen ein wesentlicher Beitrag zur Energieeinsparung durch Schaltmomentverringerung und Standzeitverlängerung.

 

Eine besonders vorteilhafte Variante, das Reibungsverhalten zu minimieren, stellt die RFN-Behandlung dar
Außer der Reibung werden die anderen Eigenschaften des jeweiligen Basiswerkstoffes in keiner Weise verändert
Die RFN-Behandlung ist insbesondere für chemisch und dynamisch hochbeanspruchte Dichtungsbauteile

Heftausgabe: Juni 2011
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Christian Geubert, Technical Support Europe Freudenberg Process Seals

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Christian Geubert, Technical Support Europe Freudenberg Process Seals
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