Elastomere in der Technik: Werkstoffe für Dichtungen und Schläuche

Die gängigen Elastomere für Dichtungen, Schläuche und Formteile sind Silikon (VMQ), Fluorsilikon (FVMQ), EPDM, NBR, FKM, Naturkautschuk (NR) und Chloropren (CR). Welcher Werkstoff passt, entscheiden der Temperaturbereich im Dauerbetrieb, das Kontaktmedium einschließlich Reinigungsmitteln, der zulässige Druckverformungsrest und die geforderte Zulassung. Die Kosten sind erst danach ein Kriterium, denn ein ausgefallenes Bauteil im Feld kostet in der Regel mehr als der Aufpreis für den passenden Compound. Die folgenden Abschnitte ordnen die Werkstoffe aus Sicht eines Silikonverarbeiters ein und zeigen, wo bei Auswahl und Einbau die meisten Fehler entstehen.

Silikon (VMQ) und Fluorsilikon (FVMQ)

Silikonelastomere decken typisch einen Dauertemperaturbereich von -60 °C bis +200 °C ab, einzelne Compounds vertragen kurzzeitig höhere Spitzen, phenylmodifizierte Typen (PVMQ) bleiben auch bei noch tieferen Temperaturen flexibel. Die Eigenschaften ändern sich über diesen Bereich vergleichsweise wenig, Ozon und UV-Strahlung greifen den Werkstoff kaum an. Üblich sind Härten von typisch 20 bis 80 Shore A. Die Grenzen liegen in der Mechanik: Weiterreißfestigkeit und Abriebwiderstand sind niedriger als bei NR oder NBR, die Gasdurchlässigkeit ist hoch. Silikon gehört deshalb vor allem in statische Dichtstellen. Wie Vernetzung und Füllstoffe die Eigenschaften steuern, beschreibt unser Beitrag zu Silikonkautschuk als Werkstoff.

In Medizin- und Lebensmitteltechnik zählt die Vernetzungsart. Platinvernetzte Compounds hinterlassen keine Peroxid-Spaltprodukte und werden für Pumpenschläuche und Pharmaleitungen bevorzugt. Peroxidvernetzte Silikone werden nach der Vulkanisation getempert, um flüchtige Bestandteile auszutreiben und den Druckverformungsrest zu senken.

Fluorsilikon (FVMQ) trägt Trifluorpropyl-Gruppen an der Polymerkette und ist dadurch gegen Kraftstoffe und Mineralöle deutlich beständiger als VMQ. Der Einsatzbereich liegt typisch bei -55 °C bis +175 °C. Mechanisch verhält sich FVMQ ähnlich wie Silikon, der Werkstoff ist aber erheblich teurer. Er wird dort eingesetzt, wo Kraftstoffkontakt und tiefe Temperaturen zusammenfallen und FKM in der Kälte zu steif wird.

EPDM, NBR, FKM, NR und CR

EPDM arbeitet typisch zwischen -40 °C und +130 °C, peroxidvernetzte Typen bis etwa +150 °C. Heißwasser, Dampf, Ozon und glykolbasierte Bremsflüssigkeit verträgt EPDM sehr gut, Mineralöle, Fette und Kraftstoffe dagegen nicht. Bei moderaten Kosten ist es Standard für Kühlwasserschläuche und Dichtungen in Heißwasseranwendungen.

NBR ist mit typisch -30 °C bis +100 °C der Standardwerkstoff für Mineralöl, Hydrauliköl und Fette. Ein höherer Acrylnitrilgehalt verbessert die Ölbeständigkeit und verschlechtert die Kälteflexibilität, gegen Ozon und Witterung ist NBR empfindlich. FKM deckt typisch -20 °C bis +200 °C ab, Tieftemperaturtypen reichen tiefer. Kraftstoffe, Öle und viele Chemikalien sind unkritisch, Schwachstellen sind Ketone, Ester, Amine und je nach Typ Heißwasser und Dampf. Im Preis liegt FKM deutlich über NBR und EPDM.

NR bietet bei typisch -50 °C bis +80 °C die höchste Rückprallelastizität und sehr gute Reiß- und Abriebwerte, ist aber weder öl- noch ozonbeständig. Er findet sich in Puffern, Schwingungsdämpfern und Membranen. CR liegt bei typisch -40 °C bis +100 °C, ist mäßig ölbeständig und durch den Chlorgehalt schwerer entflammbar als EPDM oder NR. Typische Bauteile sind Faltenbälge und Kabelmäntel.

Medienbeständigkeit unter Einsatzbedingungen bewerten

Beständigkeitstabellen beziehen sich meist auf Raumtemperatur. Quellung und Alterung nehmen mit der Temperatur zu, ein bei Raumtemperatur beständiger Werkstoff kann bei Einsatztemperatur bereits deutlich quellen. In der Praxis scheitern Dichtungen oft an Nebenmedien, die im Lastenheft fehlen: mineralölbasierte Montagefette an EPDM-Dichtungen, Silikonfett an Silikondichtungen, Ölnebel an Profilen, die nur für Wasser ausgelegt wurden. Hinzu kommen CIP-Reinigungen mit Lauge, Säure und teils Peressigsäure bei erhöhter Temperatur. Sie bestimmen die Standzeit häufig stärker als das eigentliche Produkt.

Für eine belastbare Auswahl gehören Medium, Konzentration, Temperatur und Einwirkzeit in die Anfrage. In Grenzfällen ist ein Einlagerungsversuch nach ISO 1817 unter realistischen Bedingungen aussagekräftiger als jede Tabelle; bewertet werden Volumen-, Härte- und Festigkeitsänderung.

Druckverformungsrest: nur bei gleichen Prüfbedingungen vergleichbar

Der Druckverformungsrest (DVR) nach DIN ISO 815-1 gibt an, welcher Anteil einer Verpressung nach Entlastung nicht mehr zurückgeht. Ein hoher DVR bedeutet Verlust an Anpresskraft und damit Leckagen nach Temperaturzyklen. Der Wert hängt stark von Prüftemperatur und Prüfdauer ab; bei hoher Prüftemperatur fällt er in der Regel deutlich höher aus als bei moderater Temperatur.

Einkäufer sollten Datenblätter verschiedener Lieferanten daher nur bei identischer Temperatur, Zeit und Verpressung gegenüberstellen und bei Bedarf den DVR bei Einsatztemperatur anfragen. Bei Silikon senkt das Tempern den DVR, bei EPDM erreichen peroxidvernetzte Compounds typisch bessere Werte als schwefelvernetzte.

Zulassungen: BfR, FDA, USP Class VI und EN 45545

Für Lebensmittelkontakt gilt in der EU die Verordnung (EG) Nr. 1935/2004. Konkrete Anforderungen an Elastomere liefern in Deutschland die BfR-Empfehlungen, für Silikone die Empfehlung XV, für Natur- und Synthesekautschuk die Empfehlung XXI. Sie sind keine Gesetze, gelten aber als anerkannter Maßstab. FDA 21 CFR 177.2600 regelt in den USA Gummiartikel für den wiederholten Gebrauch und legt zulässige Rezepturbestandteile sowie Extraktionsgrenzen fest. Beide Nachweise beziehen sich auf einen konkreten Compound einschließlich Farbe; eine Sonderfarbe ist nicht automatisch abgedeckt.

USP Class VI ist eine Prüfklassifizierung nach USP Kapitel 88 mit In-vivo-Tests zu systemischer Toxizität, intrakutaner Reaktivität und Implantation. Sie ist keine Zulassung des Medizinprodukts; die biologische Bewertung nach ISO 10993 bleibt Aufgabe des Herstellers des Medizinprodukts.

Im Schienenfahrzeugbau regelt EN 45545-2 den Brandschutz mit den Gefährdungsstufen HL1 bis HL3. Für Dichtungen und Profile werden häufig die Anforderungssätze R22 (innen) und R23 (außen) herangezogen. Dafür sind flammgeschützte Compounds nötig, etwa auf Silikon- oder CR-Basis, wie sie auch für Silikonprofile in Fahrzeugen verwendet werden.

Welcher Werkstoff für welches Bauteil passt

Schläuche für Lebensmittel, Pharma und Peristaltikpumpen bestehen überwiegend aus platinvernetztem Silikon. Kühlwasserschläuche im Fahrzeug sind meist aus EPDM, Ladeluftschläuche hinter dem Turbolader aus gewebeverstärktem Silikon, bei Ölnebel mit FKM-Innenschicht. Für Kraftstoffleitungen kommen FKM, FVMQ oder NBR in Frage. Bei Dichtungen entscheidet die Bewegung: dynamische Hydraulikdichtungen aus NBR oder FKM, statische Dichtstellen bei hoher Temperatur aus VMQ oder FKM, Gehäusedichtungen mit geringer Schließkraft aus Silikonschaum. Bauformen und Einbau beschreibt der Beitrag zu O-Ringen, Flachdichtungen und Formdichtungen aus Silikon. Formteile mit Dämpfungsfunktion fertigt man eher aus NR oder CR.

Die häufigsten Fehler entstehen bei der Spezifikation. Eine Angabe wie „Silikon 60 Shore A“ legt weder Compound noch Zulassung fest. Ein zu harter Werkstoff erhöht die Schließkraft, bis sich Deckel verziehen. Silikon dehnt sich bei Wärme typisch stärker aus als andere Elastomere; ist die Nut zu knapp, wird die Dichtung herausgequetscht. Die Nut muss deshalb ausreichend Freiraum für die Volumenzunahme bieten. Muster werden zudem oft nur bei Raumtemperatur geprüft, obwohl der Ausfall erst nach Temperaturzyklen auftritt. Eine vollständige Anfrage nennt Dauer- und Spitzentemperatur, alle Medien inklusive Reinigung und Montagehilfen, Bewegungsart, Druck, Zulassungen und Farbe.

Häufige Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Kautschuk und Elastomer?

Kautschuk ist das unvernetzte Rohpolymer. Erst durch die Vernetzung bei der Vulkanisation entsteht ein Elastomer, das sich unter Last verformt, danach in seine Ausgangsform zurückkehrt und beim Erwärmen nicht schmilzt. Thermoplastische Elastomere (TPE) sind dagegen schmelzbar und erreichen meist nicht die Temperaturbeständigkeit von Silikon oder FKM.

Welches Elastomer eignet sich für Heißwasser und Dampf?

Peroxidvernetztes EPDM ist für Heißwasser und Sattdampf der übliche Werkstoff. Silikon eignet sich je nach Compound für Heißwasser und wiederholte Dampfsterilisation, altert in Sattdampf unter Dauerbelastung aber schneller. Standard-FKM ist gegen Heißdampf nur eingeschränkt beständig, hier sind spezielle Typen nötig.

Ist Silikon gegen Öl beständig?

Das hängt vom Öl und vom Compound ab. Standard-VMQ quillt in vielen Mineralölen und Kraftstoffen merklich und verliert dabei an Festigkeit. Bei gelegentlichem Spritzkontakt kann Silikon ausreichen, bei Dauerkontakt sind FVMQ oder FKM die übliche Wahl. Eine Einlagerungsprüfung mit dem tatsächlich eingesetzten Öl schafft Klarheit.

Reicht eine FDA-Konformität für Lebensmittelanwendungen in der EU?

Nicht automatisch. In der EU gilt die Verordnung (EG) Nr. 1935/2004, in Deutschland dienen die BfR-Empfehlungen als Bewertungsmaßstab, für Silikon die Empfehlung XV. Viele Anlagenbauer fordern deshalb Konformität mit BfR XV und FDA 21 CFR 177.2600 gleichzeitig, jeweils für den konkreten Compound und die gelieferte Farbe.