Für praktisch alle Einsatzbereiche

Dr. Burkhard Ledig

Speziell für den Einsatz gegen aggressive chemische Medien und Temperaturen über 300 °C entwickelt, gehören die Isolast-Werkstoffe zur Klasse der Perfluorelastomere (ASTM 1418: FFKM). Sie erreichen praktisch die chemische und thermische Beständigkeit von PTFE-Werkstoffen. Dichtungen aus Isolast lassen sich in nahezu allen chemischen Medien einsetzen und finden in der Chemie- und Prozesstechnik, der Halbleiterproduktion sowie in der Öl- und Gasförderung und der pharmazeutischen Industrie Verwendung (Abb. 1).

Isolast-Werkstoffe bestehen aus Terpolymeren, in denen in der Molekülkette alle Wasserstoffatome durch Fluor ersetzt sind. Dadurch steigt der Fluorierungsgrad im Vergleich zu Fluorelastomeren von 71% auf 73% an. Die Bindungsenergie der C-F-Bindung ist mit 485 kJ/mol im Vergleich zur C-H-Bindung außergewöhnlich hoch. Außerdem ist der kovalente Radius des Fluoratoms im Vergleich zum Wasserstoff (F: 0,72 ÅÅÅ, H: 0,37 Å) erheblich größer, das heißt, die Molekülkette wird vollständig von Fluoratomen abgeschirmt. Daraus resultiert eine außergewöhnlich hohe Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit. Beides wird darüber hinaus von dem jeweils verwendeten Vernetzungssystem beeinflusst, wie ein Vergleich der Werkstoffe Isolast J8325 und J9503 verdeutlicht (Abb. 2).

Das Perfluorelastomer Isolast J8325 besitzt ein über Nitrilgruppen zyklisiertes Triazin-Vernetzungssystem, das thermisch sehr stabil ist. Dichtungen aus diesem Werkstoff lassen sich daher im Dauerbetrieb bis 325 °C einsetzen. Gleichzeitig besitzt das Perfluorelastomer eine sehr gute generelle Chemikalienbeständigkeit, besonders in starken Säuren.

Der Werkstoff Isolast J9503 dagegen ist peroxidisch vernetzt. Ein solches Vernetzungssystem wird verwendet, um eine sehr breite chemische Beständigkeit, vor allem auch gegen nukleophile Medien wie aliphatische Amine und Heißwasser/Dampf zu erreichen. Es erlaubt eine Dauereinsatztemperatur von 240 °C. Isolast J9503 eignet sich besonders zum Einsatz in Ethylen- und Propylenoxid sowie organischen und anorganischen Säuren, Estern, Ketonen und Aldehyden. Wie für alle Fluorpolymere muss jedoch auch für Perfluorelastomere folgendes berücksichtigt werden: Sie dürfen niemals in Kontakt mit geschmolzenen Alkalimetallen wie Kalium oder Natrium kommen, da dies zu explosionsartigen Reaktionen führt.

Wesentlich für das Dichtverhalten von Elastomeren ist ein geringer Druckverformungsrest. Im Allgemeinen gilt: Je besser der Druckverformungsrest, das heißt je geringer die bleibende Verformung (gemessen in %), um so höher ist die Rückstellkraft zur Erhaltung der Dichtwirkung. Beide Werkstoffe besitzen auch im Langzeittest über 500 h geringe Druckverformungsreste. Dies ist eine Vorraussetzung, um über einen langen Zeitraum aggressive Medien zuverlässig abzudichten.

Neben der außerordentlich breiten Chemikalienbeständigkeit verfügt Isolast J9503 über eine ausgezeichnete Kälteflexibilität im Vergleich zu anderen Perfluorelastomeren. Elastomere werden generell oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur (Tg) eingesetzt, da nur oberhalb dieser Temperatur die Polymerkettensegmente noch über genügend Energie verfügen, um wichtige Dichtungseigenschaften wie Rückstellvermögen und Dichtkrafterhaltung zu gewährleisten. Isolast J9503 verfügt mit einer Glasübergangstemperatur von -19 °C über einen für Perfluorelastomere erstaunlich niedrigen Wert.

Die ausgezeichnete Kälteflexibilität von Isolast J9503 wurde in einem Gehman-Torsionstest (ISO 1432 und BS 903: Part A 13) im Vergleich mit drei weiteren Elastomeren bestimmt. Hierbei untersucht ein Gehman-Test die Zunahme der Steifigkeit des Elastomers bei Abnahme der Temperatur (Abb. 3). Wie zu erwarten, zeigt NBR das beste Tieftemperaturverhalten und bewahrt seine elastischen Eigenschaften bis -35 °C, gefolgt von Isolast J9503, das bis -25 °C geeignet ist. Das Tetrafluorethylen/Propylen-Copolymer sowie ein weiteres getestetes Perfluorelastomer können nur bis 0 °C mithalten.

Die Finite Elemente Methode (FEM) stellt heute ein wichtiges Werkzeug zur Aufklärung der Dichtungseigenschaften dar. Sie zeigt auf, wie sich ein Dichtelement unter Belastung verhält und welche Probleme sich daraus für das Abdichtungskonzept ergeben. Bei elastomeren Werkstoffen hilft die FE-Methode, das viskoselastische Verhalten des Materials zu verstehen. Gleichzeitig lassen sich mit FEM Dichtungskonzepte hinsichtlich der Einbausituation, der Toleranzauslegung und des Montagevorganges optimieren. Um jedoch aussagekräftige Ergebnisse erzielen zu können, sind zuerst die Werkstoffdaten erforderlich. Anhand von Probekörpern werden Spannungs-Dehnungswerte sowie Zug- und Druckspannung ermittelt, die durch geeignete Berechnungsverfahren die Parameter für die Werkstoffmodelle liefern. Auf diese Art und Weise wurden bereits erfolgreich anwenderspezifische Formteile wie Membranen, V-Ringe und Gummi-Metallverbindungen für die Chemie- und Prozesstechnik entwickelt.

Die Dichtungsgestaltung beginnt mit der Auswahl des geeigneten Elastomerwerkstoffes. Folgende Punkte müssen dabei sorgfältig berücksichtigt werden:

• minimale und maximale Einsatztemperatur sowie zu erwartende Temperaturspitzen

• Druckbereich, in dem das Elastomer eingesetzt werden soll

• Medium oder die Stoffströme, die mit dem Elastomer in Berührung treten

• Dichtungsumgebung (statischer oder dynamischer Einsatz)

Fällt die Wahl auf ein Isolast-Perfluorelastomer, so muss berückichtigt werden, dass der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient um rund 50% größer ist als für Fluorelastomere. Diese Volumenänderung ist eine Eigenschaft aller Perfluorelastomere und spielt für das Dichtungsdesign besonders für Einsatzfälle über 200 °C eine wichtige Rolle. Um Spaltextrusion zu vermeiden, muss das Nutvolumen entsprechend angepasst werden. Die Verpressung sollte zwischen 12 und 18% liegen. Eine höhere Verpressung führt zu einem höheren Druckverformungsrest und damit zum frühzeitigen Ausfall der Dichtung. Für Temperaturen unter 0 °C sollte die Verpressung zwischen 15 und 21% liegen. Dabei muss auch berücksichtigt werden, ob es zu zyklischen Temperaturschwankungen kommt.

E cav 200