Alterungsarten von Materialien und ihre Auswirkungen auf Dichtungen: Ein umfassender Überblick

Alterungsprozesse sind ein unvermeidlicher Bestandteil des Lebenszyklus von Materialien, insbesondere in industriellen Anwendungen, wo Dichtungen und andere polymerbasierte Produkte häufig extremen Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Das Verständnis der verschiedenen Alterungsarten, der Durchführung beschleunigter Tests und der Erstellung von Prognosen zur Lebensdauer ist entscheidend für die Optimierung von Wartungs- und Instandhaltungsstrategien. In diesem Artikel werden drei Hauptalterungsarten vorgestellt, die Ergebnisse eines 12-monatigen beschleunigten Tests beschrieben, die Erstellung einer Arrhenius-Kurve erläutert und praktische Tipps für das Zustandsmonitoring von Dichtungen gegeben.

Hauptalterungsarten

Thermische Alterung

Die thermische Alterung tritt auf, wenn Materialien hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Diese Temperaturen können zu einer Molekülspaltung führen, die das Material auf molekularer Ebene verändert. Insbesondere thermoplastische Kunststoffmaterialien und Elastomere verlieren durch diesen Prozess oft an Zugfestigkeit und Elastizität. Bei Dichtungen kann dies zu Undichtigkeiten führen, die im schlimmsten Fall den gesamten Prozess oder die gesamte Maschine gefährden können.

Ozon-Alterung

Ozon gehört zu den aggressivsten Oxidationsmitteln, die Materialien angreifen können, insbesondere Gummi und Kunststoffe. Es führt zur Bildung von Rissen, bekannt als Ozonrisse, und zur Verhärtung des Materials, wodurch dessen Flexibilität beeinträchtigt wird. Diese Art von Alterung ist besonders kritisch, wenn Dichtungen in Umgebungen eingesetzt werden, in denen Ozon in hohen Konzentrationen vorkommt, wie beispielsweise in der Nähe von elektrischen Geräten oder im Freien in der Nähe von Verkehrsströmen.

UV-Alterung

UV-Strahlung, insbesondere UVC und Vakuum-UV, bewirken durch einen Prozess der Photolyse den Abbau von Molekülketten in Kunststoffen. Dies kann zu übermäßiger Versprödung, Verfärbung und einem Verlust an mechanischen und physikalischen Eigenschaften führen. UV-alternde Materialien sind besonders anfällig für oxidative Schäden, die durch gleichzeitig vorhandenes Ozon noch verstärkt werden können.

Zusätzlich zu diesen drei Hauptalterungsarten gibt es auch chemische und physikalische Alterungen, die durch Nachpolymerisation, Oxidationsprozesse oder Relaxation hervorgerufen werden.

12-monatiger beschleunigter Test

Um die Auswirkungen dieser Alterungsarten auf Dichtungen zu untersuchen und die Lebensdauer abzuschätzen, werden beschleunigte Tests durchgeführt. Ein typischer 12-monatiger Test kann bei einer Temperatur von 85°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60 % durchgeführt werden. Diese Bedingungen simulieren eine deutlich schnellere Alterung, als sie unter normalen Einsatzbedingungen auftreten würde.

Die in solchen Tests gesammelten Daten ermöglichen es, die Alterungsrate zu messen und durch mathematische Modellen in die erwartete Lebensdauer der Dichtungen zu extrapolieren. Bei diesen Tests werden oft verschiedene Prüfmethoden eingesetzt, um die mechanischen und chemischen Eigenschaften des Materials zu untersuchen.

Arrhenius-Kurven und Lebensdauerprognose

Die Arrhenius-Kurve ist ein wichtiges Werkzeug zur Quantifizierung der Temperaturabhängigkeit von Alterungsprozessen. Sie beschreibt die Beziehung zwischen der Temperaturen und der Alterungsrate eines Materials. Um eine Arrhenius-Kurve zu erstellen, wird die logarithmische Alterungsrate gegen die reziproke Temperatur (in Kelvin) aufgetragen. Die resultierende Kurve ist in der Regel linear.

Die Arrhenius-Gleichung lautet:
[ k = A \cdot e^{-\frac{E_a}{RT}} ]
wo:

• ( k ) die Alterungsrate ist,
• ( A ) der Arrhenius-Faktor,
• ( E_a ) die Aktivierungsenergie,
• ( R ) die universelle Gaskonstante und
• ( T ) die Temperatur in Kelvin.

Durch die lineare Regression der gesammelten Datenpunkte in dem Arrhenius-Diagramm können wir den Temperaturindex TI bestimmen. Daraus resultiert eine genauere Einschätzung der Lebensdauer bei verschiedenen Einsatzbedingungen.

Wirtschaftliche Auswirkungen

Eine frühe Alterung von Materialien führt nicht nur zu Sicherheitsrisiken, sondern auch zu erhöhten Wartungskosten und Produktionsausfällen. Insbesondere bei Dichtungen, Isolierungen und anderen kritischen Komponenten können diese Probleme besonders kostspielig sein. Ein sorgfältig durchgeführtes Materialmanagement und gezielte Schutzmaßnahmen können helfen, diese Kosten signifikant zu reduzieren.

Tipps für das Zustandsmonitoring von Dichtungen

1. Regelmäßige Analysen: Verwenden Sie Methoden wie Differential Scanning Calorimetry (DSC), Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) und Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), um die Materialeigenschaften regelmäßig zu überwachen und Veränderungen frühzeitig zu erkennen.

2. Beschleunigte Tests: Planen Sie regelmäßige beschleunigte Alterungstests ein, um die Restlebensdauer Ihrer Dichtungen präzise abschätzen zu können.

3. Materialauswahl: Verwenden Sie UV-stabilisierte und ozonbeständige Materialien, insbesondere in Umgebungen, in denen diese Einflüsse besonders stark sind.

4. Visuelle Inspektionen: Überwachen Sie mechanische Eigenschaften und führen Sie regelmäßige visuelle Inspektionen durch, um Rissbildung, Verfärbungen und andere Anzeichen von Alterung zu erkennen.

5. Dokumentation: Halten Sie die Ergebnisse all Ihrer Monitoring-Aktivitäten genau fest. Dies ermöglicht nicht nur eine bessere Planung der Wartungsintervalle, sondern hilft auch, wirtschaftliche Auswirkungen besser zu bewerten.

Fazit

Das Verständnis der Alterungsmechanismen von Materialien, insbesondere bei kritischen Komponenten wie Dichtungen, ist entscheidend für die Verbesserung der Lebensdauer und der Betriebssicherheit in industriellen Anwendungen. Durch geeignete Testmethoden und regelmäßiges Zustandsmonitoring können Unternehmen nicht nur Kosten sparen, sondern auch die Zuverlässigkeit ihrer Systeme erhöhen und damit langfristig wertvolle Ressourcen schonen.