Die Relevanz der chemischen Beständigkeit von Elastomeren: Eine detaillierte Analyse

Einleitung

Die chemische Beständigkeit von Elastomeren spielt eine entscheidende Rolle in zahlreichen Industrien, insbesondere in solchen, in denen Gummi und gummiartige Materialien mit chemischen Substanzen in Kontakt kommen. Die ASTM D471 ist eine internationale Norm, die darauf abzielt, die Auswirkungen unterschiedlicher Flüssigkeiten auf die physikalischen Eigenschaften elastomer Materialien zu bewerten. Diese Prüfung ist von großer Bedeutung, um potenzielle Materialien für Anwendungen wie Dichtungen, Schläuche und Membranen auszuwählen, die in vielen industriellen Prozessen unerlässlich sind.

Ziel & Bedeutung

Die ASTM D471 bietet eine systematische Herangehensweise zur Untersuchung und Bewertung der chemischen Beständigkeit von Elastomeren. Die Bedeutung dieser Untersuchung zeigt sich in folgenden Aspekten:

1. Vermeidung von Materialversagen: Durch das Verständnis, wie verschiedene Chemikalien die Materialien beeinflussen, können potenzielle Versagen und die damit verbundenen Kosten vermieden werden.

2. Erhöhung der Produktsicherheit: In Anwendungen, z. B. in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie, ist die Sicherheit der Produkte von höchster Bedeutung. Eine sorgfältige Auswahl der Materialien trägt zur Produktsicherheit bei.

3. Verlängerung der Lebensdauer von Bauteilen: Chemische Beständigkeit führt zu einer größeren Stabilität und Langlebigkeit der Komponenten, was für die Betriebskosten von Vorteil ist.

Prüfmethoden (ASTM D471)

Die Methode zur Prüfung der chemischen Beständigkeit sieht folgende Schritte vor:

• Probenvorbereitung: Die Geometrie der Proben wird standardisiert, und die Materialien werden gereinigt und gewogen.
• Auswahl der Prüfflüssigkeit: Es werden verschiedene Flüssigkeiten, wie Wasser, Öle, und Chemikalien, je nach Anwendung eingesetzt.
• Prüfung: Proben werden für einen festgelegten Zeitraum und bei definierten Temperaturen in der jeweiligen Flüssigkeit gelagert.
• Messung: Nach der Exposition werden physikalische Eigenschaften wie Volumenänderung, Masseänderung, Härte, Zugfestigkeit und Dehnung analysiert.
• Auswertung: Veränderungen der Eigenschaften werden dokumentiert und bewertet.

Ergebnistabelle (12 Chemikaliengruppen)

Die Tabelle unten zeigt exemplarische Ergebnisse einer Untersuchung zur chemischen Beständigkeit von verschiedenen Materialien gemäß ASTM D471.

| Medium | Volumenänderung (%) | Masseänderung (%) | Härteänderung (Shore A) | Zugfestigkeit (%) | Bemerkungen |
|————————|———————|——————-|————————-|——————-|———————|
| Wasser | +2,5 | +0,8 | -2 | -3 | Geringe Quellung |
| Mineralöl | +15 | +10 | -10 | -25 | Deutliche Quellung |
| Hydrauliköl | +12 | +8 | -8 | -20 | |
| Dieselkraftstoff | +18 | +12 | -12 | -28 | |
| Bioethanol | +7 | +6 | -5 | -15 | |
| Säure (pH 2) | +4 | +1,5 | -3 | -8 | Chemische Beständ. |
| Lauge (pH 12) | +3 | +1 | -2 | -6 | |
| Aceton | +50 | +40 | -25 | -50 | Starke Schädigung |
| Toluol | +45 | +35 | -20 | -45 | |
| Silikonöl | +3 | +2 | -1 | -4 | |
| Ethylenglykol | +6 | +4 | -4 | -10 | |
| Reinigungslösung | +5 | +5 | -4 | -12 | |

Hinweis: Werte sind durchschnittliche Beispiele und können je nach Gummityp und Prüfbedingungen variieren.

Analyse der Mechanismen

Die Reaktionen von Elastomeren auf chemische Medien lassen sich in verschiedene Mechanismen unterteilen:

• Diffusion und Quellung: Flüssigkeitsmoleküle dringen in die Gummistruktur ein und bewirken eine Dehnung der Polymerketten.
• Weichmacherextraktion: Organische Lösungsmittel und Öle können Weichmacher aus der Elastomermatrix herauslösen, was zu Härtung und Versprödung führt.
• Chemische Reaktionen: Säuren oder Basen können chemische Bindungen destabilisieren, was zu Materialdegradierungen führen kann.
• Physikalische Veränderungen: Die physikalischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit und Elastizität können negativ beeinflusst werden.

Diese interdependenten Effekte müssen berücksichtigt werden, um die Lebensdauer der Gummi-Produkte zu garantieren.

Fallstudie: CIP/SIP in der Molkereiindustrie

In der Molkereiindustrie ist der Kontakt von elastomeren Materialien mit Reinigungs- und Sterilisationsmitteln eine Routine. Die Methoden „Cleaning in Place“ (CIP) und „Sterilizing in Place“ (SIP) erfordern Materialien, die aggressiven Chemikalien standhalten können. In dieser Branche kommen häufig alkalische Reiniger und oxidierende Desinfektionsmittel zum Einsatz.

Beobachtungen

• Quellung und Härteveränderung: Standard-Gummiarten zeigen signifikante Veränderungen in der Quellung und der Härte, die zu Leckagen führen können.
• Massenzunahme: In aggressiven Medien kann es zu einer Massenzunahme kommen, die über 10% liegen kann.
• Chemische Beständigkeit: Materialien wie EPDM und FKM zeigen verbesserte Beständigkeit, jedoch sind auch hier spezifische Belastungsgrenzen zu beachten.

Empfehlungen

Für Anwendungen in der Molkereiindustrie sollten Materialien eingesetzt werden, die eine hohe chemische Beständigkeit aufweisen und gleichzeitig geringe Quellungswerte bieten. Die Durchführung der ASTM D471-Prüfung ist essenziell, um die Eignung spezifischer Materialien zu gewährleisten.

Fazit und Best Practices

Die Prüfung nach ASTM D471 ist unverzichtbar für die Bewertung der chemischen Beständigkeit von Elastomeren. Die Bedeutung dieser Norm ergibt sich nicht nur aus der Notwendigkeit, Materialversagen zu vermeiden, sondern auch aus der Verbesserung der Produktsicherheit und der Langlebigkeit von Bauteilen.

Best Practices:

1. Regelmäßige Materialprüfung: Vor dem Einsatz neuer Gummimischungen sollten stets Tests gemäß ASTM D471 durchgeführt werden.
2. Mischungsoptimierung: Durch gezielte Auswahl von Füllstoffen und Weichmachern kann die Widerstandsfähigkeit gegen chemische Medien verbessert werden.
3. Anwendungsbezogene Materialauswahl: Für kritische Anwendungen sollten spezielle Elastomere wie FKM oder EPDM verwendet werden.
4. Dokumentation und Monitoring: Änderungen der Materialeigenschaften sollten kontinuierlich überwacht und dokumentiert werden, um frühzeitig Versorgungsausfälle zu erkennen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die chemische Beständigkeit in der Auswahl von Elastomeren oberste Priorität haben sollte, um sowohl Qualität als auch Sicherheit in chemisch aggressiven Umgebungen zu bewahren.