Maßgeschneiderte Perfluorelastomere

David Holt

Das englische Unternehmen Precision Polymer Engineering (PPE), Hersteller von Perlast-Perfluorelastomer-Dichtungen, hat eine Entwurfs- und Fertigungsmethodik entwickelt, die bei Standard-O-Ring-Perfluorelastomeren Durchlaufzeiten von wenigen Tagen oder Stunden ermöglicht. Die kurzen Durchlaufzeiten und die Produktflexibilität erlauben es, auch nach Kundenspezifikation gefertigte Teile bereits in Tagen zur Verfügung zu haben.

PPE ist spezialisiert auf den kurzfristigen Entwurf und die Fertigung von Dichtungen aus über 350 Elastomeren. Das Unternehmen setzt hierzu CNC-Werkzeugfertigungstechniken ein, mit deren Hilfe die Werkzeugfertigung in unter 48 Stunden zu bewerkstelligen ist. Außerdem können Zeichnungen in elektronischem Format direkt weiter verarbeitet werden, wodurch sich die Durchlaufzeiten nochmals verkürzen lassen. Die Geschwindigkeit ist größtenteils dem Einsatz einer 3D-Entwurfstechnologie zu verdanken, mit deren Hilfe die Werkstücke vor der Werkzeugfertigung modelliert und angezeigt werden. Mit Hilfe einer Finite-Elemente-Analyse (FEA) wird das Verhalten der Dichtung unter Einsatzbedingungen modelliert, wobei sich mögliche Schwachpunkte des Werkstückentwurfs bereits vor der Werkzeugfertigung erkennen und eliminieren lassen.

Angesichts der oftmals kritischen Anwendungen von Perlast, beispielsweise in der pharmazeutischen Herstellung, speichert PPE die vollständigen Entwicklungs- und Fertigungsunterlagen aller entwickelten Dichtungen, um die Nachfertigung von Teilen mit derselben hohen Qualität und unter Einhaltung der Bestimmungen zuständiger Behörden in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie zu gewährleisten.

O-Ringe sind in allen europäischen Norm- und in beliebigen Spezialgrößen verfügbar. Durch die integrierte Fertigung entfallen Werkzeugkosten für O-Ringe mit Durchmessern unter 250 mm. Der Anwender kann die exakt benötigten Abmessungen frei wählen.

Perlast kann in jeder Größe bis zu einem Durchmesser von 2 m gefertigt werden. Moderne Verbundwerkstofftechnologie erlaubt es darüber hinaus, Perlast mit Trägerwerkstoffen aus kostengünstigeren Elastomeren zu kombinieren, um die eingesetzte Menge des teureren Perfluorelastomers zu reduzieren. Oder man setzt metallische Trägerwerkstoffe ein, um noch bessere mechanische Eigenschaften zu erzielen. Verbundwerkstoffe kommen im Allgemeinen bei großen Teilen in der pharmazeutischen Industrie zum Einsatz, bei denen nur ein kleiner Teil der Dichtungsoberfläche mit dem aggressiven Lösemittel in Kontakt kommt. Die maximal zulässige Betriebstemperatur einer solchen Dichtung wird dann jedoch von dem Werkstoff mit der niedereren Temperaturbeständigkeit bestimmt. Dank neu entwickelter Spezialprozesse wurde die Haftfestigkeit zwischen Perlast und einer breiten Palette von Werkstoffen wie PEEK, PTFE, Edelstahl und Aluminium sowie einer Reihe anderer Elastomere maximiert.

Mit integrierten Entwurfsmethoden lassen sich bereits große Fortschritte erzielen, und in den meisten Anwendungen sind Standardsorten von Perfluorelastomeren einsetzbar. Durch die freie Spezifikation einer Shore-Härte zwischen 50 und 90 können jedoch die Dichtungsleistungen noch verbessert werden.

Auch eine Reihe weiterer Merkmale des Elastomers kann an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Der Einsatz verschiedenfarbiger Dichtungen (schwarz und fünf weitere Farben) hilft beispielsweise bei der Identifikation des jeweils korrekten Teils und vereinfacht die Anlagenwartung. Durch die Spezifikation einer FDA-Zulassung oder einer Drucksturzbeständigkeit lässt sich die optimale Perfluorelastomersorte zur Aufrechterhaltung der Anwendungsintegrität auswählen.

In vielen Anwendungen, in denen traditionell kostengünstige Elastomere wie EPDM oder FKMs eingesetzt wurden, ist heute der Einsatz von Perfluorelastomeren profitabel. Über die gesamte Lebensdauer einer Pumpe oder eines Ventils lassen sich damit erhebliche Einsparungen erzielen. Die geringeren Wartungs- und Reparaturkosten können die anfänglichen Mehrkosten eines Teils aus Perfluorelastomer häufig um ein Vielfaches wettmachen.

In der pharmazeutischen Industrie hat der Einsatz von Lösemitteln zur Reinigung der Anlagen zwischen den Produktionschargen erheblich zugenommen. In einem Chemieunternehmen beispielsweise, das eine aufblasbare EPDM-Ummantelungsdichtung in einem Kugelhahn einsetzte, führte eine Prozessänderung zu vermehrten Ausfallzeiten wegen ungeplanter Dichtungswartungen. Im Betrieb unter Vakuumbedingungen zwischen -15 und +260 °C wurde die Dichtung aufgeblasen, um unter Druck eine feste Dichtung gegen die Kugel zu erzeugen. Nach einer Prozessänderung kam jedoch Toluol zum Einsatz. Die EPDM-Dichtungen versagten sehr bald, und es kam zu einer Produktkontamination und somit zu wirtschaftlichen Verlusten. Die Lösung war eine aufblasbare Dichtung aus dem Perfluorelastomer Perlast. Der Kugelhahn funktioniert nun wieder so effektiv wie zuvor. Darüber hinaus bietet das neue Dichtungsmaterial eine längere Lebensdauer und längere Wartungsintervalle für den Kugelhahn. Die Dichtung ist nun auch nach FDA zugelassen, wodurch die Anzahl der Chemikalien, Lebensmittel und pharmazeutischen Produkte, die mit denselben IBCs und Mischgefäßen verarbeitet werden können, deutlich zunimmt.

E cav 287

Perfluorelastomere sind Terpolymere aus Tetrafluorethylen (TFE), Perfluormethylvinylether (PMVE) und einem Vernetzungsmonomer (Cure Site Monomer = CSM). Die Unterschiede in den Eigenschaften verschiedener Perfluorelastomere beruhen hauptsächlich auf der Art ihrer Vernetzung. Bei Perlast kommt eine Peroxid-Vernetzungstechnologie zum Einsatz, mit der eine hohe Chemikalienbeständigkeit und Hochtemperaturstabilität erreicht wird. Einer der Vorteile des Peroxid-Vernetzungssystems ist die sehr gute Beständigkeit gegen Wasser, Dampf und Amine auch bei hohen Temperaturen.

Bis vor kurzem bestand der einzige Nachteil von Peroxid-Vernetzungssystemen bei Perfluorelastomeren in der oberen Temperaturgrenze von 280 °C. Perlast-Perfluorelastomere können jedoch während der Polymerisation vorvernetzt werden und sind dank der so erzielten höheren Vernetzungsdichte stabil bis zu Temperaturen von 330 °C.

Eine andere Weiterentwicklung dieser Vorvernetzungstechnologie besteht in der Verwendung eines patentierten semikristallinen Perfluorpolymers durch Mikroemulsionstechnologie. Dadurch war es möglich, ein Perfluorelastomer herzustellen, das die mechanischen Eigenschaften eines kohlenstoffgefüllten Elastomers besitzt, dabei jedoch gänzlich auf Kohlenstoff- oder Metallfüllstoffe verzichten kann. Das so entwickelte reine Perfluorelastomer eignet sich für kritische Anwendungen in der Halbleitertechnik und Biochemie, in denen die durch herkömmliche Füllstoffe bedingte Partikelfreisetzung nicht akzeptabel ist.