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Dichtwerkstoff TPU ist ideal zum Maßschneidern

Dichtungen: Thermoplastische Polyurethane (TPU) jetzt bis 130 °C stabil
Dichtwerkstoff TPU ist ideal zum Maßschneidern

Wie kaum eine Werkstoffklasse eignen sich Thermoplastische Polyurethane zum individuellen Maßschneidern von Dichtungen. Da sich diese Elastomere auch spritzgießen lassen, bieten sie eine besonders wirtschaftliche Lösung.

Joachim Möschel ist Entwicklungs-manager Polyurethan beim Dichtungsspezialisten Busak+Shamban GmbH in Stuttgart

Die heutige Zeit stellt enorme Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Dichtungswerkstoffen: Temperatur- und Medienbeständigkeit, geringer Verschleiss, Umweltverträglichkeit und gleichbleibende Qualität sind Standardvoraussetzungen. Es ist daher unumgänglich, hochwertige Rohstoffe einzusetzen und speziell abgestimmte Rezepturen zu entwickeln. Leider steht diese Notwendigkeit oft im Widerspruch zum Preisdruck am Markt.
Thermoplastische Elastomere (TPE) haben jedoch den Vorteil, dass sie sich kostengünstiger verarbeiten lassen als vernetzte Elastomere (etwa durch Spritzgießen) und dennoch ein gummielastisches Verhalten bei Gebrauchstemperatur aufweisen. Sie werden mit kürzeren Verarbeitungszyklen hergestellt und brauchen im Vorfeld keinen aufwendigen Mischungsprozess zu durchlaufen. Auch Produktionsabfälle lassen sich wiederverwerten. Nicht zuletzt deshalb ist der Einsatz dieser Werkstoffgruppe seit ihrer Einführung in den 60er-Jahren kontinuierlich gewachsen. Darüber hinaus bieten Thermoplastische Elastomere gute Dichtungseigenschaften, die permanent verbessert werden. In der Fluidtechnik ist der Einsatz von Dichtungen aus TPE in vielen Bereichen zum ungeschriebenen Gesetz geworden, weil sie ein außerordentlich gutes Preis-Leistungs-Verhältnis aufweisen. Dies gilt ganz speziell für Dichtungen in pneumatischen und hydraulischen Antrieben.
TPE lassen sich in vielerlei Hinsicht zwischen den harten Thermoplasten und den vernetzten Elastomeren ansiedeln, etwa hinsichtlich elastischer Rückstellfähigkeit und des Fließverhaltens. Sie bestehen aus zwei- oder mehrphasigen Gemischen: In einer weichen Komponente ist entweder eine harte oder eine vernetzte Phase fein verteilt. Die weiche Phase fungiert als Kontinuum, in dem die Hartsegmente physikalische Vernetzungspunkte bilden und damit das Abgleiten der Molekülketten bei Belastung (plastisches Fließen) unterbinden. Die Werkstoffeigenschaften hängen hauptsächlich davon ab, wie fein die harte Phase in der weichen verteilt ist.
Daher unterscheiden sich die TPE auch weniger durch ihre chemische Zusammensetzung als vielmehr durch ihren morphologischen Aufbau. Sie sind in verschiedenen Härtegraden und mit unterschiedlichem chemischen Basisaufbau erhältlich. Auch für die jeweiligen Verarbeitungsverfahren wie Spritzgießen, Extrudieren, Tiefziehen oder Hohlkörperblasformen gibt es Spezialisierungen, die durch Optimieren der rheologischen und kristallisationskinetischen Eigenschaften des Materials entstehen.
In der Fluidtechnik kommen hauptsächlich die mineralölbeständigen TPE-Typen zum Einsatz. Eindeutig im Vordergrund stehen heute die Thermoplastischen Polyurethane TPE-U, im folgenden TPU genannt. Dabei handelt es sich um Ester- oder Ether-Urethan Blockcopolymere. Daneben gibt es die Gruppen der TPE-E (Ether/Ester Blockcopolymere) und TPE-A (Ether/Amid Blockcopolymere).
Bereits die Standard-Polyure-thantypen sind sehr verschleißfest, mineralöl- sowie fettbeständig und ertragen über einen weiten Temperaturbereich hinweg dynamische thermische Beanspruchungen. Im Gegensatz zu TPE-E und TPE-A haben sich die TPU permanent weiter entwickelt und sind inzwischen mit Härten zwischen 75 Shore A und 70 Shore D verfügbar. Ohne sie besäßen pneumatische und hydraulische Antriebe bei weitem nicht den heutigen, hohen Leistungsstandard. In der dynamischen Dichtungstechnik sind TPU zum Maßstab geworden.
Wies die erste Generation noch deutliche Mängel hinsichtlich der bleibenden Verformung unter Druck- und Temperatureinwirkung auf, so wurde bei den nachfolgenden Generationen von TPU die Temperaturbeständigkeit der Hartsegmente erhöht und damit das Problem gelöst. Den größten Erfolg brachte es, gezielt höherschmelzende Hartsegmente zu entwickeln. Daneben gab es Ansätze, den Vernetzungsgrad nachträglich durch Elektronen- oder Gammastrahlen zu erhöhen.
Generell hängt die obere Temperaturgrenze in dichtungstechnischen Anwendungen immer von dem Wechselspiel mit den sonstigen Einflüssen ab. Für Hydraulik-übliche Anwendungen (beispielsweise 0,2 mm Spaltweite bei 300 bar Druck) liegt sie zwischen 80 °C (Standardwerkstoffe) und 120 °C bei neuesten Spezialentwicklungen.
Busak+Shamban hat kürzlich ein neues TPU entwickelt, das die Temperaturgrenzen im Vergleich zu marktüblichen TPU noch weiter hinaus schiebt. Es liegt bereits als Prototyp vor. Die erweiterte Anwendungsmöglichkeit lässt sich am besten an der Dynamischen Mechanischen Analyse (DMA) ablesen (siehe Diagramm): Der Glasübergangsbereich markiert die untere Einsatzgrenze, ab der die Speichermodul(E’)-Kurve in Richtung niedriger Temperaturen ansteigt. Die obere Einsatzgrenze liegt dort, wo die Speichermodulkurve E’ abknickt und die Erweichung beginnt. Labortests zeigen, dass das neue TPU noch nach Einwirkung von Temperaturen von -20°C beziehungsweise +130°C einen akzeptablen Druckverformungsrest von 25 % aufweist, während das handelsübliche Material bei diesen Temperaturen versagt.
TPU können in Zukunft erheblich zur Lösung von Dichtproblemen beitragen, wenn Drücke, Geschwindigkeiten und Temperaturniveau weiter steigen oder stark diversifizierte Medien eingesetzt werden. Denn wie kaum eine andere Werkstoffklasse eignen sie sich zum Maßschneidern. Ihre Eigenschaften lassen sich wie folgt beeinflussen:
– E-Modul mit Härtegraden zwischen 80 Shore A und 58 Shore D, ohne dass Abstriche bei anderen wichtigen Eigenschaften wie dem Druckverformungsrest hingenommen werden müssen
– Temperaturbereich zwischen –50 °C und +120 °C, kurzzeitig auch bis 140 °C denkbar
– Noch weitere Verbesserung der dynamischen Belastbarkeit und Verschleißfestigkeit
– Starke Erhöhung der Hydrolysebeständigkeit ohne Abstriche bei der Quellbeständigkeit gegen Mineralöle; dadurch ergeben sich erweiterte Einsatzmöglichkeiten für HFA-, HFC-, HEES-, HETG-Druckflüssigkeiten in der Hydraulik oder in der Pneumatik von abbaukritischen Schmierfetten
– Tribologische Verbesserungen, beispielsweise niedrige Oberflächenenergien, um Anhaften und Ruckgleiten zu verhindern
Neben den erwähnten Thermoplastischen Elastomeren gibt es noch die eingeschränkt mineralölbeständigen TPE-V, TPE-O und TPE-S. Für typische fluidtechnische Anwendungen liegen ihre Quellwerte in Mineralölen meist zu hoch. Interessant können sie dort sein, wo unter Ausschluss von Mineralöl abgedichtet werden muss wie in der Lebensmittelindustrie. Bei TPE-S kommt zur hohen Mineralölquellung noch ein hoher Druckverformungsrest hinzu, der den Einsatz des Materials für Dichtungen in der Regel in Frage stellt.
Allgemein ist dem Anwender zu empfehlen, die Werkstoffkennwerte frühzeitig zu spezifizieren, wenn Dichtungen hohe Anforderungen erfüllen sollen. Nur mit aussagekräftigen Labor- und Prüffeldversuchen lassen sich Schwachstellen aufdecken und Komplikationen oder gar Ausfälle von Dichtelementen vermeiden.
Industrieanzeiger
Titelbild Industrieanzeiger 7
Ausgabe
7.2022
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