24.10.2023 Praxistauglichkeit üblicher Härtetoleranzen bei NBR-Compounds
Untersuchung der Schwankungsbreite dichtungsrelevanter Eigenschaften
Eine Grundvoraussetzung für eine gleichbleibende Mischungsqualität in der Gummiindustrie ist eine exakte Zumischung der in der Rezeptur deklarierten Füllstoffe und Additive. Bei der industriellen Mischungsherstellung gilt heutzutage eine fertigungsbedingte Mischungstoleranz als akzeptabel, die eine Härtetoleranz von ± 3 Shore-A-Härtegrade bezogen auf die angestrebte Nennhärte bewirkt. Bisher lagen keine Studien vor, welchen Einfluss eine solche Härtetoleranz auf die dichtungsrelevanten Werkstoffeigenschaften einer Gummimischung hat, zu denen in erster Linie die temperaturabhängigen viskoelastischen Eigenschaften und das Quellverhalten unter anwendungsnahen Belastungs- und Umgebungsbedingungen zählen. Hier setzen die nachfolgenden Untersuchungen an.
Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR) ist aufgrund seiner Ölbeständigkeit der meist eingesetzte Werkstoff für Dichtungsanwendungen in schmierstoff- oder betriebsstoffhaltiger Umgebung [1]. Der Werkstoff wird typischerweise für eine Vielzahl kraftstoff- und ölbeständiger Dichtungen, z.B. O-Ringe, Nut-Ringe, Wellendichtringe, sowie verschiedenste Formdichtungen verwendet [2]. Über eine erfolgreiche Anwendung des Elastomerwerkstoffs bei solchen Anforderungen entscheiden allerdings nicht nur seine Ölbeständigkeit, sondern auch die vorhandenen, viskoelastischen Eigenschaften der Dichtung unter den gegebenen Einsatzbedingungen. Die Steifigkeit, oder der Elastizitätsmodul, eines eingesetzten Dichtungswerkstoffs hängt von der Gummihärte des Werkstoffs ab, ist bekanntermaßen zeit- und temperaturabhängig und bestimmt maßgeblich die wirksamen Dichtungs- und Rückstellkräfte einer Dichtung im Einsatz. Der Elastizitätsmodul einer NBR-Gummimischung ergibt sich durch den in der Mischung verwendeten Füllstoff und dessen -gehalt [3]. Herstellungsbedingte Schwankungen im Füllstoffgehalt führen folglich zu Schwankungen im Elastizitätsmodul der Mischung und somit zu Toleranzen bei deren dichtungsrelevanten Werkstoffeigenschaften [4]. Die vorliegende Untersuchung befasst sich mit der Auswirkung einer herstellungsbedingten Härtetoleranz einer NBR-Gummimischung von ±3 Shore A auf ihre viskoelastischen Dichtungseigenschaften. In der Gummiindustrie sind fertigungsbedingte Härtetoleranzen bezogen auf die angestrebte Nennhärte einer Mischung von ±3 Shore A praxisüblich, teilweise werden sogar Toleranzen von ±5 Shore A akzeptiert. Für diese Untersuchungen wurden gezielt drei NBR-Mischungen hergestellt, die sich in ihrer Härte definiert um ±3 Shore-A-Grade zur Probe mit einer Nennhärte von 60 Shore A unterscheiden. Die Einstellung der Härte der Mischungen erfolgte über die Variation des Füllstoffrußgehalts. Aus den hergestellten NBR-Mischungen wurden durch Heizpressen vulkanisierte Prüfplatten gefertigt, aus diesen die erforderlichen Untersuchungsproben entnommen und diese anschließend vergleichend mittels verschiedener Verfahren geprüft und bewertet. Die hergestellten Proben wurden im quasistatischen Druckversuch auf ihr Druckverformungsverhalten untersucht, im Torsionsschwingversuch (oszillierender Schubversuch) auf ihre elastische Verformbarkeit und Dämpfung analysiert, mittels dynamisch-mechanischer Analyse (DMA) die Modul-Temperatur-Kurven der Proben ermittelt. Die DMA-Kurven liefern Informationen zum jeweiligen, temperaturabhängigen Verformungsverhalten, die thermo-mechanische Analyse (TMA) unter Medienkontakt ergibt Hinweise zum Quellverhalten der unterschiedlichen Proben.
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