Die Grenzen nicht-elastomerer Dichtungsmaterialien verstehen

Die eigentliche Grenze in der Dichtungstechnik ist faktisch die Grenze der Dichtungsmechanismen. Die anfängliche Dichtkraft von Elastomerdichtungen hängt größtenteils von der elastischen Erholung nach der Kompression ab, und der Mediumdruck erhöht die Kontaktspannung weiter. Wenn der Druckverformungsrest zu groß wird und das Material sein elastisches Gedächtnis verliert, versagt die Dichtung. Im Gegensatz dazu haben technische Polymere wie PTFE, UHMWPE und PEEK grundsätzlich eine geringe elastische Rückstellung und insbesondere PTFE zeigt einen erheblichen Kaltfluss oder Kriechen. Diese Materialien funktionieren also nicht durch „Zurückschnappen wie Gummi“, sondern durch geometrisches Design, Vorspannung, Druckaktivierung, Federn oder O-Ring-Vorspannung für die Dichtleistung. Dies definiert die Kerngrenze von nicht-elastomeren Dichtungsmaterialien: Die entscheidende Frage ist nicht, wie stark das Material ist, sondern welche Rolle es im System spielt -, ob es einen elastischen Ausgleich bietet oder ob es Funktionen wie geringe Reibung, Verschleißfestigkeit, chemische Beständigkeit, Extrusionsbeständigkeit oder Lastaufnahme bietet. Ersteres betrifft Elastomere und letzteres ist der Grund, warum technische Kunststoffe ihren Weg in Dichtungsanwendungen finden.

1. PTFE PTFE sollte nicht nur als „High-End-Kunststoff“ betrachtet werden, sondern als eine Substanz, die gleichzeitig drei wichtige Grenzen überschreitet: chemische Beständigkeit, Temperaturbeständigkeit und geringe Reibung. AGC-Studien zeigen, dass es einen normalen Betriebstemperaturbereich von etwa -180 Grad bis +260 Grad hat und gegenüber praktisch allen Medien chemisch inert ist. Der Trockengleitreibungskoeffizient von PTFE auf Stahl beträgt laut Parker-Daten etwa 0,10 und ist damit viel niedriger als bei UHMWPE (~0,25) und reinem PEEK (~0,35). Dies bedeutet, dass PTFE die oberste Leistungsgrenze von Dichtungen auf Elastomerbasis in dynamischen Situationen mit hoher Temperatur, starker Korrosion und geringer Reibung effektiv verschiebt.

Aber seine Mängel sind ebenso bedeutsam. Parker sagt, dass reines PTFE bei Raumtemperatur und konstanter Belastung stark kriecht und praktisch keine elastische Erholung aufweist. Die Reibung ist sehr gering, aber die Verschleißfestigkeit ist eher dürftig. Daher ist es nicht richtig, PTFE als Hochtemperaturkautschuk oder als hartes Äquivalent zu Elastomer-O--Ringen zu betrachten. Ein typischer technischer Fehler besteht darin, reduzierte Reibung mit der Fähigkeit einer stabilen elastischen Dichtung zu verwechseln. Daher wird PTFE in realen Anwendungen selten allein eingesetzt. Eine Möglichkeit besteht darin, den Füllstoff durch die Verwendung von Materialien wie Glasfaser, Kohlefaser, Graphit oder Bronze zu ändern, um die Kriechfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Druckfestigkeit und Anti-Extrusionskapazität zu verbessern. Eine andere Methode ist der Einsatz von vorgespannten Dichtungsstrukturen wie federunterstützten Dichtungen oder Elastomer-unterstützten Konstruktionen, bei denen Federn oder O-Ringe den Niederdruckkontakt und die langfristige Verformung ausgleichen.

Aus technischer Sicht ist PTFE als Material zu betrachten, das die Grenzen der Medienverträglichkeit, Temperatur und Reibung überschreitet, und nicht als Material, das einen geometrischen oder elastischen Ausgleich bietet. Es eignet sich am besten für Situationen mit hohen Temperaturen, aggressiven Chemikalien oder dynamischen Bewegungen mit geringer Reibung. Es ist jedoch nicht die beste Option, wenn die Hauptanforderung eine hohe Verformungsnachgiebigkeit oder eine langfristige elastische Erholung ist.

2. UHMW-PE
UHMWPE stellt im Vergleich zu PTFE eine völlig andere Materialgrenze dar. Ensinger PE1000 verfügt beispielsweise über eine sehr hohe Schlagzähigkeit, eine gute Verschleiß- und Abriebfestigkeit, ein starkes Gleitverschleißverhalten und eine hervorragende Leistung bei niedrigen Temperaturen. Typische Parameter sind ein Zugmodul von etwa 700 MPa, eine Streckgrenze von etwa 19 MPa und eine Betriebstemperatur von etwa -260 Grad bis +80 Grad.

Es handelt sich in seiner Materialbeschaffenheit nicht um einen hochtemperaturbeständigen Kunststoff, sondern um ein verschleißfestes und schlagfestes technisches Polymer. Parker erklärt: „UHMWPE ist eines der zähesten und verschleißfeststen Materialien, weist jedoch eine geringere Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit als PTFE auf und eignet sich besser für hin- und hergehende oder sehr langsam gleitende Anwendungen mit einem höheren Reibungskoeffizienten als PTFE. Trelleborgs Hauptangebot an UHMWPE ist das Material für Führungsringe und Verschleißringe in Hydraulikzylindern, wo es seitliche Belastungen absorbiert, Kolben oder Stangen führt und den Kontakt von Metall zu Metall verhindert.

Mit anderen Worten: UHMWPE ist auf Verschleißfestigkeit, Führung, Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen und langsame Gleitbewegung ausgelegt und soll nicht mit PTFE bei hohen Temperaturen oder chemisch aggressiven Umgebungen konkurrieren. UHMWPE wird oft als billiger Ersatz für PTFE angesehen, doch ihre Aufgaben unterscheiden sich tatsächlich grundlegend. PTFE ist auf extreme chemische Beständigkeit, hohe Temperaturen und extrem niedrige Reibung ausgelegt, während UHMWPE auf Verschleißfestigkeit, Schlagfestigkeit und Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen ausgelegt ist.

3. PEEK PEEK ist ein eher strukturelles Material in Dichtungssystemen. Daten von Victrex besagen, dass PEEK eine hohe Temperaturbeständigkeit, umfassende chemische Beständigkeit, hohe mechanische Festigkeit, hervorragende Dimensionsstabilität, Hydrolysebeständigkeit und Verschleißfestigkeit aufweist. Die typische Sorte 450G hat beispielsweise einen Zugmodul von etwa 4,0 GPa, eine Zugfestigkeit von etwa 98 MPa und Dauerbetriebstemperaturen von bis zu 260 Grad.

PEEK ist definitiv kein weiches Kontaktdichtungsmaterial, sondern ein hochmoduliges Strukturpolymer. Es wird hauptsächlich in Dichtungsanwendungen als Stützringe, Anti--Extrusionsvorrichtungen, Führungselemente und tragende Strukturkomponenten verwendet. Für Führungs- und Verschleißanwendungen klassifiziert Trelleborg PEEK als hochmoduligen technischen Kunststoff. PEEK-Stützringe wurden speziell entwickelt, um die Extrusion von O-Ringen oder X{8}}Ringen unter hohem Druck zu verhindern.

Der Vorteil von PEEK besteht darin, dass es die Grenzen der Druckfestigkeit, Spaltkontrolle, Tragfähigkeit und Dimensionsstabilität erweitert. Doch PEEK ist kein universell einsetzbares Dichtungsmaterial. Es ist nicht ideal für Anwendungen zur Einhaltung großer Verformungen oder zur Toleranzabsorption und hat einen größeren Reibungskoeffizienten als PTFE. Es wird daher empfohlen, PEEK als Struktur- und Anti-Extrusionsmaterial zu betrachten, jedoch nicht als zentrales Dichtungselement.

4. TPU (PU)
Polyurethan wird in Dichtungsanwendungen oft als TPU bezeichnet und ist ein Standardmaterial für hydraulische dynamische Dichtungen. Parker TPU ist seit langem der Maßstab für Fluidtechniksysteme und bietet außergewöhnliche Verschleißfestigkeit, thermische Stabilität, Hydrolysebeständigkeit, Druckverformungsrestleistung und elastische Erholung. Covestro lobt außerdem die hohe Abriebfestigkeit, den großen Flexibilitätsbereich, die hohe Elastizität sowie die gute Beständigkeit gegenüber Ölen und bestimmten Lösungsmitteln.

Damit liegt TPU im Mittelfeld zwischen Elastomeren und technischen Kunststoffen. Es verfügt über eine ausgezeichnete Elastizität und verbessert die Verschleißlebensdauer und mechanische Haltbarkeit erheblich, insbesondere für dynamische Hydraulikanwendungen mit hohem{1}Druck. Seine eigentliche Stärke liegt jedoch speziell in der dynamischen hydraulischen Abdichtung, nicht in der universellen chemischen Beständigkeit oder statischen Abdichtungsbedingungen.

Eines der häufigsten Missverständnisse besteht darin, ein TPU als ein einziges homogenes Material zu betrachten, da seine chemische Beständigkeit stark von der Formulierung, der Härte, der Temperatur, der Konzentration und der Einwirkungsdauer abhängt. Starke Säuren und Laugen greifen TPU an, aromatische Kohlenwasserstoffe führen zu einer Quellung, Ketone und Ester führen zu einer starken Quellung und DMF, DMSO, NMP und THF sind Lösungsmittel für TPU. Die Formulierung spielt auch eine Rolle bei der Temperaturbeständigkeit. MDI-basierte Systeme liegen normalerweise bei 100 Grad, während PPDI-basierte Systeme bei etwa 135 Grad liegen. Daher wird PU nicht durch eine konstante Grenze bestimmt, sondern durch system-abhängige Formulierungsgrenzen.

5. Technische Grenze zwischen Elastomeren und technischen Kunststoffen
Die zugrunde liegende Barriere zwischen technischen Kunststoffen und Elastomeren kann auf verschiedene Arten verstanden werden. Elastomere sind hauptsächlich für die Dichtkraft durch elastische Erholung verantwortlich, während technische Kunststoffe wie PTFE, UHMWPE und PEEK nicht auf elastische Verformung angewiesen sind, sondern mit geringer Reibung, Verschleißfestigkeit, chemischer Beständigkeit, Extrusionsbeständigkeit und Dimensionsstabilität an die Leistungsgrenzen gehen.

Ihre funktionalen Rollen sind gut differenziert. PTFE befasst sich hauptsächlich mit chemischen, Temperatur- und Reibungsgrenzen. Bei UHMWPE geht es um Verschleißfestigkeit, Führung, Leistung bei niedrigen Temperaturen und langsames Gleiten. PEEK wird zur Tragfähigkeit, zur Vermeidung von Extrusion und zur strukturellen Stabilität bei hohem Druck verwendet. PU ist für die Verschleißlebensdauer unter dynamischen hydraulischen Bedingungen optimiert. In der Praxis sind die besten Dichtungslösungen häufig nicht Ersatz-, sondern Hybridsysteme. Beispielsweise sorgt ein O--Ring für Vorspannung und anfängliche Kontaktkraft, eine PTFE-Hülse sorgt für verringerte Reibung und verbesserte chemische Beständigkeit, und ein PEEK- oder gefüllter PTFE-Stützring verhindert die Extrusion unter Druck.

Der häufigste technische Fehler besteht darin, Materialien für verschiedene Dichtungsmethoden zu vergleichen. PTFE ist kein High-End-Gummi, PEEK ist kein universeller Kunststoff, UHMWPE ist kein billiges PTFE, PU ist nicht nur ein härteres NBR. Sobald der vorherrschende Versagensmodus erkannt wird, ist die Materialgrenze offensichtlich.