Die meisten Elastomere unterliegen im Laufe der Zeit einem Abbau, was bedeutet, dass alle Gummiprodukte während ihres gesamten Produktlebenszyklus einem Abbau unterliegen. Abbau ist die Verringerung der physikalischen Eigenschaften wie z. B. der Festigkeit, die durch Veränderungen der chemischen Zusammensetzung verursacht wird. In der Praxis wird eine Gummi Komponente, wenn sie beginnt, sich zu verschlechtern, leistungsschwach sein.
Hitze, Chemikalien und Licht ausgesetzt
In den meisten Fällen wird die Verschlechterung von Gummi durch Hitze (thermo-oxidation), Chemikalien, Licht (photo-oxidation), Luft (ozon-cracking) und Wasser (water-treeing) verursacht.
Mechanische & elektrische Belastung
Ionisierende Strahlung, chemischer Abbau, mechanische Beanspruchung und elektrische Felder sind auch weit verbreitet und führen zu ernsthaften physikalischen Veränderungen, die die Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften von Gummiprodukten verändern.
Oxidative und thermische Alterung
Die oxidative und thermische Alterung von Gummi wird mit Belastung und reaktive Gase wie Ozon beschleunigt, was zu Rissbildung, Verkohlung und Farbverblassung führt. Die Zugabe von Antioxidantien, UV-Stabilisatoren und Ozonschutzmittel kann jedoch diese Art von Problemen verlangsamen oder verhindern.
Oxidativer Kautschuk Abbau kann je nach Struktur des Elastomers zum Härten oder Erweichen führen. Die Härtung kommt häufiger vor, weil sich durch Hitze, Sauerstoff und Licht erzeugte freie Radikale zu neuen Vernetzungen verbinden, was die Flexibilität des Gummis verringert.
Aus molekularer Sicht werden diese chemischen Prozesse als „Kettenhärtung“ bzw. „Kettenspaltung“ bezeichnet. Die chemische Zusammensetzung des Polymers bestimmt, welche Art von Verschlechterung letztendlich auftritt.
Im Folgenden stellen wir 6 Fallstudien vor, die zeigen, wie sich die Alterung auf die Leistung des Gummi Bauteils auswirken kann, wie sie versagen und wie ein Versagen vermieden werden kann.
Weitere Fallstudien aus erster Hand finden Sie auf unserer Fallstudien Seite.
Beispiel für einen Faltenbalg
Ein Krankenhaus, in dem das Zentralsystem mit einem Metallrohr von 100 mm Durchmesser gebaut wurde, das für einen Druck von bis zu 0,6 MPa bei einer Wassertemperatur von bis zu 85° ausgelegt ist, bestellte 60 gewebeverstärkte Kompensatoren.
Wozu dienen hier Kompensatoren oder Faltenbälge?
Das Rohrsystem dehnt sich axial aus, das aufgenommen werden muss. Es sind die Gummikompensatoren in Form von Faltenbälgen, die die axiale Dehnung und Kontraktion von Rohrsystemen aufnehmen können.
Innerhalb von 2 Jahren nach der Installation waren 20 Verbindungen durch vollständigen Bruch oder Undichtigkeit ausgefallen. Diese wurden erstmals kurz nach dem Einschalten der Heizung am Ende des Sommers bemerkt.
Der Kautschuk wurde mittels Infrarotspektroskopie als Mischung aus Naturkautschuk und Polychloropren identifiziert. Der Gummi an der Bohrung des ausgefallenen Faltenbalges war so brüchig, dass Teile durch die Einwirkung von gepumpten Wasser erodiert waren. Die Innenflächen waren mit einem gelben Ablagerung beschichtet. Bei der Analyse stellte sich heraus, dass es sich um eine Mischung aus Silizium, Zink und Kupfer Oxiden handelte. Es wurde festgestellt, dass die lokale Wasserversorgung hohe Mengen dieser Oxide enthält.
Eine Mischung aus Naturkautschuk und Polychloropren sollte in Wasser bei 85 °C ohne inakzeptable Thermo Oxidation oder Hydrolyse lange halten können. Es ist bekannt, dass bei vielen Gummis und Kunststoffen (z. B. Polyolefine und Nylons) bestimmte Metallionen die Thermooxidation beschleunigen, indem sie die Reaktion katalysieren.
Bei 85 °C wird geschätzt, dass der hohe Gehalt an ionischem Kupfer die Haltbarkeit der Gummimischung um den Faktor 10 verringern würde.
Die Undichtigkeit war beim Wiederanfahren der Anlage erkennbar, da unter dieser Bedingung die Wärmeausdehnung der Rohrleitung minimal und die Balgausdehnung maximal war (Rissöffnung).
Die Bälge wurden durch eine Verbindung mit überlegenen Widerstand gegen katalysierten thermo oxidativen Abbau ersetzt.
Haupterkenntnisse
Wofür werden flexible Schläuche verwendet?
Flexible Schläuche werden in einer Vielzahl von Größen verwendet, um Flüssigkeiten unter Druck zu fördern. Die übliche Konstruktion ist im Wesentlichen ein Verbund aus mit Stahldraht verstärkten Gummischichten in verschiedenen Konfigurationen. Die Konfiguration und Komplexität der Verstärkung hängt von der Schlauchgröße und dem Betriebsdruck ab.
Auswahl des flexiblen Schlauchs für diese Anwendung
Die Gummimischung wird entsprechend der zu transportierenden Flüssigkeit und den Umgebungsbedingungen ausgewählt. Zur Förderung von Wasser wurde eine spezielle Schlauch Konstruktion verwendet, die in einer Anwendung Drücke von 0,7–0,8 MPa und Temperaturen im Bereich von 20–80 °C erforderte.
Ein Fehler trat durch einen Schlauchbruch auf, was Anlass zur Sorge gab, dass dies kein isoliertes Problem war und die anderen in Betrieb befindlichen Schläuche gefährdet sein könnten.
Der Schlauch hatte eine relativ kleine Bohrung und einen einfachen Aufbau. Durch Zerteilen des Schlauches in zwei Hälften mit einer Bandsäge stellte sich heraus, dass es sich um einen einzigen extrudierten Schlauch ohne Innenverstärkung handelte.
Der Gummischlauch wurde mit einer Drahtgeflecht Schicht mit einer einzelnen spiralförmigen Verstärkung auf der Außenseite bedeckt. Nach dem Entfernen der Spiralverstärkung lag das Geflecht frei und es war zu sehen, dass das Geflecht über einen Großteil der Länge „glänzen“ war, aber es gab Anzeichen von Korrosion in der Nähe eines End Fittings. Die Leckstelle durch das Geflecht war leicht zu erkennen. Die Untersuchung der Innenfläche des Schlauches ergab einen Riss im Gummi unterhalb der Bruchstelle, der eindeutig die direkte Ursache für die Leckage war.
Die wichtigste Beobachtung war, dass die Gummimischung versprödet war. Durch das Biegen des abgeschnittenen Schlauches traten schnell Risse auf der Innenfläche auf, die sich leicht ausbreiteten.
Diese Analyse zeigte, dass die Polymerbasis eine Mischung aus Nitril- und Styrol-Butadien-Kautschuken in einem Verhältnis zwischen 80/20 und 60/40 war.
Versprödung durch Hitzeeinwirkung
Die Versprödung des Gummis ist ein sehr starkes Zeichen dafür, dass es durch Wärmealterung abgebaut wurde. Die Alterung führt zu einem Verlust der Bruchdehnung. Ein Aufspalten des Schlauches wird dann wahrscheinlich, wenn die Innenfläche unter Spannung steht, beispielsweise bei einer Biegung, weil die Dehnung die stark reduzierte Bruchdehnung des Gummis übersteigt. Wenn, wie vermutet, eine Kontamination vorhanden war, würde dies die Festigkeit des Schlauchs weiter verringern.
Niedrigere Betriebstemperatur durch hinzugefügtes SBR
Nitrilkautschuk hat eine maximale Dauergebrauchstemperatur in der Größenordnung von 100–120 °C.
Das Mischen des Nitrils mit SBR senkt jedoch die maximale Betriebstemperatur, wobei die Größe des Abfalls vom SBR-Gehalt abhängt.
Für die identifizierte Mischung würde die maximal zulässige Betriebstemperatur wahrscheinlich im Bereich von 70–80 °C liegen.
Die Schlussfolgerung war, dass die verwendete Gummimischung der maximalen Temperatur von 80 °C nicht standhalten konnte und durch Wärmealterung einen erheblichen Abbau erlitt. Die Folge der Alterung waren verminderte Zugeigenschaften und ein Aufplatzen des Schlauches.
Gummi-Dehnungsbälge werden verwendet, um Expansion und Kontraktion auszugleichen
Ein industrielles Heizsystem mit einem Stahlrohr von 80 mm Durchmesser, das durch einen Gummibalg verbunden war, versagte nach 18 Monaten im Betrieb. Das System führte Wasser bei 120 °C bei Drücken von 0,5 MPa. Das Produkt hatte eine lange Erfolgsgeschichte in ähnlichen Anwendungen und unter ähnlichen Servicebedingungen.
Durch Analyse wurde bestätigt, dass der Kautschuk schwefel vulkanisiertes EPDM war, das Ruß, naphthenisches Prozessöl und anorganische Füllstoffe enthielt.
Es wurde festgestellt, dass der Prozessölgehalt in unbenutzten Bälgen 22% betrug, verglichen mit 11% und 9% in Gummi, das aus den inneren und äußeren Schichten des defekten Balges entfernt wurde.
Die jeweiligen Schwefelgehalte betrugen 2,5%, 5,8% und 6,1%. Die jeweiligen Bruchdehnungen betrugen 600 %, 450 % und 90 %.
Der Verlust von Prozessöl durch Verdampfung ist bei diesen hohen Betriebstemperaturen nicht unerwartet. Dies würde zum Verlust der Bruchdehnung beitragen, ist aber eindeutig kein wesentlicher Beitrag. Die inneren und äußeren Schichten des ausgefallenen Balges haben einen ähnlichen Ölgehalt, aber nur die äußere Schicht hat eine starke Verschlechterung der strukturellen Eigenschaften erlitten. Dies steht im Einklang mit einem thermo oxidativen Abbau. Obwohl die äußere Schicht kühler ist als die innere Schicht, baut sie sich durch den Kontakt mit Luft schneller ab.
Übermäßiger Schwefelgehalt
Die empfohlene maximale Dauergebrauchstemperatur für schwefel gehärtetes EPDM beträgt 120 °C. Dies gilt jedoch für eine richtig formulierte und verarbeitete Verbindung. In diesem Fall ist der Schwefelgehalt im ausgefallenen Bauteil zu hoch. Überschüssiger Schwefel wirkt als „Pro-Oxidationsmittel“, um den Abbau zu beschleunigen.
Das Versagen ist auf einen Fehler beim Compoundieren zurückzuführen, der die Beständigkeit des Produkts gegen thermische Zersetzung beeinträchtigt hat.
Beispiel für eine Unterlegscheibe
Ab 1990 wurde eine große Menge TPE-Unterlegscheibe geliefert und installiert, aber ab 1993 häuften sich Ausfälle. Als 1994 die Produktion eingestellt wurde, waren die Ausfälle zahlreich und weit verbreitet. Der Materiallieferant wurde gebeten, das Problem zu untersuchen. Sie berichteten, dass es keine Probleme mit dem Material gab, schlugen jedoch vor, dass ein erheblicher Druckverformungsrest bei einigen Unterlegscheiben auf ein übermäßiges Anziehen der Baugruppen hinweist. Ein Ingenieurbüro schlug vor, nicht ausreichend festzuziehen. Der Produktlieferant konnte diese nicht als glaubwürdige Erklärungen akzeptieren.
Ausgefallene Unterlegscheiben wurden inspiziert und es wurde festgestellt, dass ein hoher Anteil radiale Risse aufwies. Der Druckverformungsrest von Unterlegscheiben wurde nach drei Wochen in Wasser bei einer Temperatur von 85 °C beurteilt, wobei der Druck Grad ungefähr dem im Betrieb verwendeten entspricht. Unter diesen Bedingungen wurde ein Druckverformungsrest von 90 % beobachtet. Andere Tests unter den gleichen Expositionsbedingungen zeigten, dass das Drehmoment zum Lösen von Baugruppen auf weniger als 10 % des Anzugsdrehmoments fiel und die Unterlegscheiben stark versteift waren.
Thermoplastische Elastomere leiden im Allgemeinen unter einem hohen Druckverformungsrest (hohe Spannungsrelaxation/hohes Kriechen) im Vergleich zu duroplastischen Kautschuken. Aus diesem Grund werden sie selten für Langzeit-Druckabdichtung Anwendungen bei erhöhten Temperaturen gewählt.
Hydrolytischer Abbau
Es ist allgemein bekannt, dass Polymere mit Estergruppen eine geringe bis mäßige Beständigkeit gegenüber hydrolytischen Abbau bieten. In der Literatur heißt es, dass das Material auch bei Zugabe eines hydrolytischen Stabilisators „allgemein geeignet“, aber nicht „sehr geeignet“ für den Einsatz in Wasser bei Temperaturen über 50 °C ist. Das Scheibenmaterial enthielt keinen solchen Stabilisator.
Durch Verlust des Dichtungsdrucks und Rissbildung traten Undichtigkeiten auf. Beide wurden durch hydrolytischen Abbau beschleunigt.
Wer ist für den Ausfall verantwortlich?
In diesem Fall ist die materielle Fehlerursache weniger aufschlussreich als die menschliche Fehlerursache. Von besonderem Interesse sind die Umstände, die die Materialwahl ausgelöst haben. Der Former hatte einen erfolgreichen Ruf als Lieferant von Wasserhahn-Unterlegscheiben, die aus dem spezifischen TPE geformt wurden. Dies könnte darauf hindeuten, dass er sich der Einschränkungen des Materials bewusst ist. Jedoch arbeiten Hahnscheiben entweder bei Umgebungstemperaturen oder kurzzeitig bei erhöhten Temperaturen und werden häufig wieder komprimiert. Somit war sich der Former über mögliche Probleme mit dem Druckverformungsrest oder der Hydrolyse nicht bewusst.
Auch diese Einschränkungen waren dem Produktlieferanten nicht bekannt. Das fragliche TPE war für den Kontakt mit Trinkwasser zugelassen, was als „zugelassen für die Verwendung mit Wasser“ interpretiert wurde.
Der Gießer von der Wahl des generischen Materials überzeugt war, fragte er den Lieferanten nicht, ob dieses Material das beste Material sei, sondern fragte nach der besten TPE-Sorte. Die empfohlene Sorte (höchste Härte, ohne hydrolytischen Stabilisator) lässt vermuten, dass die Anwendung nicht ausreichend beschrieben bzw. verstanden wurde. Das Produkt wurde ohne Test auf den Markt gebracht.
Der Produktlieferant hat auf eine EPDM-Waschmaschine umgestellt. Dies hat sich bewährt.
Erfahren Sie hier mehr über EPDM-Schläuche in der Automobilindustrie.
Ein 6 Meter Yacht ging in einem überfüllten Yachthafen in Flammen auf. Das Boot war seit 2 Jahren vertäut und unbenutzt. Glücklicherweise konnten die Insassen das Feuer löschen, bevor es auf benachbarte Schiffe übergreifen konnte. Der Kreuzer erlitt jedoch erheblichen Schaden und ein Versicherungsschaden von rund 20.000 Yen löste eine Untersuchung der Brandursache aus.
Das Feuer brach im Motorraum aus und es wurde festgestellt, dass der Gummischlauch zwischen Deckeinfüllstutzen und Benzintank am Tankstutzen nicht fest angeschlossen war. Es war jedoch nicht klar, ob es sich um eine Ursache oder eine Auswirkung des Feuers handelte.
Das Schlauchmaterial wurde analysiert und als EPDM-Kautschuk mit Mineralöl als Verarbeitungshilfsmittel identifiziert. Der Ölgehalt wurde im Allgemeinen mit 8 % (zwischen den Anschlüssen) und 36 % bei Proben, die von oberhalb der Einfüllöffnungs-Jubiläumsklemme entnommen wurden, bewertet. Die Härte des Gummis betrug 80 IRHD bzw. 45 IRHD unterhalb und oberhalb des Füller-Jubiläumsclips.
Der ursprünglich gelieferte Schlauch war als Nitril gelistet. Es war an einem unbekannten Punkt in der Geschichte des Kreuzers ersetzt worden. EPDM wird nicht für den Kontakt mit Benzin oder den meisten aliphatischen Flüssigkeiten empfohlen. Benzin quillt EPDM auf ein Gleichgewichtsniveau von ~100 % mit einer damit einhergehenden Verringerung der Härte auf.
Mineralöl ist kein empfohlenes Additiv für Elastomere in Kontakt mit Benzin. Mineralöl wird durch das Benzin ausgewaschen, was zu einer Schrumpfung des Gummis und einer Erhöhung der Härte führt. Der Mineralölgehalt im werkseitigen Schlauch war nicht bekannt, konnte aber vernünftigerweise auf über 36% geschätzt werden.
Bei Kontakt mit Benzin wurde folgender Ablauf eingeleitet:
Nitrilkautschuk Manschetten von Ventilen zur Förderung von Leitungsgas mit einem Druck von 5 MPa wurden in vielen Anlagen erfolgreich eingesetzt. Bei einer bestimmten Anwendung traten jedoch häufig vorzeitige Ausfälle auf. Dies betraf nur eine Ventilgröße und die Drücke waren nicht anormal, obwohl die Temperatur 38 °C im Gegensatz zu den üblichen 10-20 °C betrug. Es wurde erwartet, dass Ventile in diesen Anwendungen aufgrund der Expansion des absorbierten Gases beim Druckentlastung eine „explosive Dekompression“ erleiden würden.
Die Fehler traten in diesem Fall jedoch bei Betriebsdruck auf und zeigten sich in Form von Rissen an der Außenseite der Hülse und an diskreten Stellen um die Innenseite der Hülse herum zu schäumen schien.
Die Beschädigungen auf beiden Oberflächen befanden sich auf einem schmalen Umfangsband, wobei die Spaltung an der Außenfläche der Schaumbildung an der Innenfläche zugewandt war.
Details der verwendeten Formulierung waren verfügbar, die zeigten, dass das Material nicht auf Ermüdungsbeständigkeit optimiert war und einen ölbasierten Weichmacher/Streckmittel enthielt, der möglicherweise nicht vollständig kompatibel war.
Die chemische Analyse zeigte, dass das Material aus dem geschäumten Bereich ein schlecht dispergiertes Material der gleichen Zusammensetzung wie die Masse war und keine Agglomerate von Füllstoff oder Fremdmaterial enthielt.
Zugfestigkeit und Dehnung waren sehr variabel, mit starkem Hinweis auf lokale Fehler.
Beide verschlechterten sich bei der höchsten Temperatur stark. Die Dispergierung wurde für eine dynamische Anwendung als eher weniger gut als wünschenswert beurteilt.
Aus der Untersuchung wurde geschlossen, dass die Risse Ermüdungsrisse waren. Die Untersuchung kam zu dem Schluss, dass die geschäumten Bereiche auf die Expansion des absorbierten Gases zurückzuführen waren. Das umlaufende Schadensband fiel mit dem Bereich der höchsten Gasgeschwindigkeit zusammen. Die Gas Druckverteilungen würden sich hier verschieben und mit der Zeit stark variieren. Die schwankenden Spannungen aufgrund der Ausdehnung absorbierter Gase führten zu Ermüdungsrissen innerhalb der Hülsenwand, die sich in Richtungen ausbreiteten, die durch die sehr komplizierte Dehnungsverteilung in den Hülsen vorgegeben waren. Dieses Problem hing hauptsächlich mit der unvollkommenen Formulierung und dem Dispersionsgrad zusammen, wahrscheinlich gekoppelt mit der Formqualität für die spezielle Hülsengröße und den speziellen Betriebsbedingungen.
Die Hauptursache für die schäumende Fehlerart war nicht genau zu bestimmen, aber es ließ sich ableiten, dass sie von besonders schwachen Stellen ausgingen, die im Bereich der örtlich größten dynamischen Dehnungen lagen. Die Schwachstellen könnten aus einer Kombination von Formulierungs, Dispersions, Formfüllungs und Aushärtungsgradfehlern resultieren, die bevorzugt Gas absorbieren. Das Formen dieser besonderen Hülsengröße und die besonderen Betriebsbedingungen, die zu einem stärkeren lokalen Temperaturanstieg führen, könnten für Fehler in der speziellen Installation verantwortlich sein.
