Allgemein

Ein Werkstoff, verschiedene Dichtungen

Bild 1: Die EPDM-Werkstoffe der 290er-Reihe variieren lediglich im Mischungsverhältnis, aber nicht in den Inhaltsstoffen des EPDM-Werkstoffs
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Ein Dichtungsmaterial für hygienische Bereiche soll in der Praxis sowohl die dort geltenden Normen erfüllen als auch über eine möglichst lange Funktionsdauer verfügen. Zur Reduzierung des Freigabe- und Logistikaufwands beim Kunden bietet Freudenberg ein Compound als O-Ring, Formteil und Membran an, das sich lediglich in den für die jeweilige Anwendungen erforderlichen Härten unterscheidet.

Ein Dichtungswerkstoff in hygienisch sensiblen Produktionsanlagen muss nicht nur den Vorgaben der FDA, sondern auch immer häufiger dem Prüfprotokoll der USP (United States Pharmacopeia) Plastic Class VI entsprechen und die Vorgaben der 3-A Sanitary Standards erfüllen. Die Freudenberg-EPDM-Werkstoffe der 290er-Reihe (Bild 1) bieten eine optimale Härteanpassung zum Anforderungsprofil verschiedener Anwendungen und variieren lediglich im Mischungsverhältnis, aber nicht in den Inhaltsstoffen des EPDM-Werkstoffs.

Einsatzbereiche
Die Anforderung für einen Membranwerkstoff wie 60 EPDM 290 besteht darin, zäh, aber flexibel zu sein, um sich der Bewegung optimal anzupassen, ohne dass große Kräfte entstehen oder der Werkstoff spröde wird. Spezielle Untersuchungen und empirische Werte haben gezeigt, dass O-Ringe und Formteile in statischen Anwendungen vorzugsweise in 70 Shore Härte zu verwenden sind. 70 EPDM 291 ist daher die optimale Mischung aus Anpassungsfähigkeit und Rückstellkraft für diesen Einsatz. Wird die Dichtung dynamisch eingesetzt, empfiehlt sich die Verwendung eines Werkstoffes mit größerer Shore-Härte. Die wirkenden Kräfte fordern einen stabilen Werkstoff mit hoher Strukturkraft. Diese Eigenschaften sind für O-Ringe und Profildichtungen in dem Material EPDM 292 mit 85 Shore A verwirklicht.
Werden hohe Reinheitsforderungen gestellt, reichen die Gleiteigenschaften eines Elastomers bei hohen Shore-Härten für dynamische Anwendungen häufig nicht aus. Durch einen FDA-konformen Schmierstoff ist es möglich, den Werkstoff reibungsreduziert anzubieten. Ein solcher Werkstoff kommt bei Klappendichtungen in Form des 75 EPDM 252236 zum Einsatz. Ist eine Unveränderbarkeit der Werkstoffzusammensetzung gefordert, aber dennoch eine Reibungsreduzierung nötig, wird eine rfn-Beschichtung (reduced friciton by nano technology) vorgenommen. Ebenfalls unter dem Mantel der FDA-Konformität verknüpft diese Beschichtung einen sehr stabilen und harten Werkstoff, wie z.B. 85 EPDM 292, mit einem besonderes guten Gleitverhalten. Die Nanobeschichtung ist chemisch mit der Elastomeroberfläche verbunden und zeichnet sich daher durch eine lange Haltbarkeit aus. Übliche Gleitlackbeschichtungen sind besonders gut in der Reibungsreduzierung, neigen aber durch fehlende elastomere Eigenschaften zum Abspringen und zur Rissbildung. Auch hier bietet die rfn-Beschichtung einen Vorteil, sie ist durch die chemische Anbindung und die Schichtdicke im Nanobereich in der Lage der Elastomer-Bewegungen ohne Beschädigungen an der Oberfläche zu folgen.
Freigaben und Beständigkeit
In der Produktion von Lebensmitteln und Getränken sowie pharmazeutischen Produkten spielt der Werkstoff EPDM die größte Rolle. Für eine Vielzahl der Anwendungen dieser Branche ist er mit seiner guten Quellbeständigkeit in Heißwasser, Dampf, polaren, organischen Lösemitteln und oxidierend wirkenden Medien die beste Wahl. Auch die Temperaturbeständigkeit bis 150 °C (in Wasser bis 180 °C) ist in der Regel ausreichend. Weiterhin hat das 70 EPDM 291 alle bedeutenden Freigaben für diese Branche. Es erfüllt die amerikanische Trinkwasserfreigabe NSF 61 genauso wie die deutschen Regelwerke der DVGW (KTW, W 270 und W 534), der britischen WRAS und der französischen ACS. Der Werkstoff entspricht den Anforderungen der US-Behörde FDA und hat die Zulassung nach USP Class VI sowie der 3-A Sanitary Standards.
Die 3-A Sanitary Standards unterscheidet sich von anderen Freigaben darin, dass sie Quelltoleranzen des Elastomers in Reinigungsmedien, die für den Markt üblich sind, definiert. Dabei wurde auch das Hygienic Design mit der Vorgabe guter Reinigbarkeit und Totraumfreiheit berücksichtigt, indem die Grenzwerte für die maximalen Volumen- und Härteänderungen niedrig angelegt wurden. Ein Class-I-Werkstoff im Sinne der 3-A zeichnet sich durch Volumen- und Gewichtsänderungen in den genannten Medien bis zu ±5 % aus und ist für Produkt und Sterilisationstemperaturen bis 149 °C sowie Reinigungstemperaturen bis 82 °C geeignet. Bild 2 zeigt die Messergebnisse der Lagerungen für 70 EPDM 291. Ein EPDM-Werkstoff kann aufgrund der Fettempfindlichkeit des Rohpolymers unter den angegebenen Bedingungen bestenfalls ein Class II Werkstoff sein. Im Prinzip ist dieses Elastomer jedoch für Lebensmittel- und Pharmaanwendungen am besten geeignet, da es in seiner Beständigkeit bei SIP- und CIP-Prozeduren andere Werkstoffe dieser Preisklasse deutlich überragt.
Eigenschaften in CIP-Reinigern
In heutigen Produktionsprozessen sind die Reinigungsbedingungen deutlich aggressiver als die in den 3-A Sanitary Standards festgelegten Testbedingungen. Dies liegt zum einen an dem Trend, keine oder nur wenige Konservierungsstoffe zu verwenden, zum anderen an dem Ziel, höhere Produktivität durch verkürzte Reinigungszeiten zu erreichen. Auch hier gilt, je aggressiver das CIP-Medium und je höher die Temperatur, desto sorgfältiger und umsichtiger muss die Dichtung ausgewählt werden. Bei dieser Auswahl helfen Studien, die den Anlagenbetreiber mit Fakten unterstützen.
In Zusammenarbeit mit den führenden CIP-Medien-Herstellern hat Freudenberg die aggressivsten Medien der verschiedenen Reinigerkategorien herausgesucht. Die Untersuchung in den Reinigungsmedien erfolgte unter dem Gesichtspunkt einer maximalen Belastung für das Elastomer. Die Lagerung (nach DIN ISO 1817) erfolgte bei höchster angegebener Einsatzkonzentration und -temperatur über eine Woche (168 h). Selbst bei diesen Extrembedingungen hat sich 70 EPDM 291 als außerordentlich beständig erwiesen. Die Ergebnisse sind in Bild 3 in Form von Volumen- und Härteänderung dargestellt. Bei den sauren Rezepturen hat sich der CIP-Reiniger mit Salpetersäure als deutlich aggressiver herausgestellt als derjenige auf Phosporsäurebasis. Unter dem Gesichtspunkt des Hygienic Design wäre eine Quellung von maximal ±5 % wünschenswert. In Anbetracht der über die übliche Anwendung hinaus gehenden Prüfungsparameter, wird EPDM jedoch in der Praxis bestehen. Weder in alkalischen noch chloralkalischen Reinigern zeigt EPDM nennenswerte Beeinträchtigungen bzgl. Volumen und Härte. Deutliche Unterschiede hingegen treten bei Verwendung unterschiedlicher Desinfektionsmittel auf. Während sich die peressigsäurehaltige Rezeptur mit einer Quellung von knapp über 5 % auf dem Grenzwertniveau befindet, sind andere Produkte auf Basis amphoterer Tenside oder Hypochlorit deutlich weniger aggressiv. Insgesamt gesehen ist 70 EPDM 291 also ein Werkstoff, der in der gesamten Produktpalette von sauren über alkalische bis zu chloralkalische Rezepturen anwendbar ist.
Hohe Dampftemperaturen
Zur Beurteilung der Langzeiteigenschaften wird oft der Druckverformungsrest (DVR) herangezogen. Er ist ein Maß für die bleibende Verformung eines Elastomerkörpers, der über einen festgelegten Zeitraum bei einer bestimmten Temperatur einer definierten Verpressung ausgesetzt war. Je geringer dieser Wert ausfällt, desto größer sind die verbleibenden Rückstell- und damit die Dichtkräfte. Beschrieben wird die Prüfprozedur in der Norm DIN ISO 815, wobei üblicherweise Luft als Prüfmedium verwendet wird. Bei einer EPDM-Dichtung ist es jedoch praxisnäher, den DVR in Wasser zu ermitteln, da dies der üblichen Anwendung in wässrigen Medien entspricht. Bild 4 stellt den Druckverformungsrest von 70 EPDM 291 im Vergleich zu verschiedenen Wettbewerbern bei unterschiedlichen Temperaturen grafisch dar. Nach 72 h in 150 °C heißem Wasser hat ein 70-EPDM-291-O-Ring einen DVR von 23 % und damit den größten Teil seiner Elastizität behalten. Kein EPDM anderer Hersteller verhält sich im direkten Vergleich des DVR besser. Und selbst nach einer Lagerzeit von einem Jahr in 180 °C heißem Wasser besitzt das Material noch elastisches Rückstellvermögen. Die Philosophie von Freudenberg, keine Weichmacher zu verwenden, geht somit auf. Selbst gegenüber Reinstwasser mit seinem hohen Bestreben, nicht fest in die Polymermatrix eingebundene Bestandteile heraus zu lösen, zeigt sich der Werkstoff weitgehend resistent.
cav 452

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