Dauerhafte Verformung durch Kompression in Elastomeren

Die bleibende Verformung von Elastomeren unter Kompression ist eine entscheidende Eigenschaft für Dichtungen und Gummibauteile. Sie zählt zu den wichtigsten Leistungskennwerten von Elastomeren (gummiartigen Materialien), Schäumen und weichen Polymeren. Sie misst die bleibende Verformung, die nach längerer Kompression und anschließender Entlastung des Materials verbleibt. Vereinfacht ausgedrückt: Sie gibt an, wie gut oder schlecht ein Material nach Kompression in seine ursprüngliche Form zurückkehrt.

Diese Eigenschaft ist besonders wichtig bei Anwendungen wie O-Ringen, Dichtungen, Dichtungselementen, Polsterschäumen und allen Bauteilen, die ihre Dichtungsstärke oder Flexibilität über die Zeit unter kontinuierlicher Kompression beibehalten müssen.

Wird ein Elastomer komprimiert (z. B. ein O-Ring zwischen zwei Oberflächen), verändern sich die Polymerketten und Vernetzungen. Mit der Zeit (insbesondere unter Hitzeeinwirkung, längerer Belastung oder chemischer Einwirkung) werden einige dieser Veränderungen dauerhaft. Nach dem Wegfall der Kompressionskraft kehrt das Material nicht vollständig in seinen ursprünglichen Zustand zurück.

Bei dauerhafter Verformung durch Druck

• Keine bleibende Verformung bei Kompression bedeutet eine ausgezeichnete Rückstellfähigkeit. Das Material kehrt vollständig zu seiner ursprünglichen Dicke zurück (ideal, aber in der realen Langzeitanwendung selten).
• Bei 100%iger Kompression findet keine Rückstellung von der bleibenden Verformung statt. Das Material behält seine komprimierte Dicke bei (und ist daher für Dichtungszwecke völlig ungeeignet).

Gute Dichtungsmaterialien weisen unter Standardtestbedingungen eine bleibende Verformung von 10-30 % auf; höhere Werte deuten auf eine schlechte Langzeitleistung hin.

Die gebräuchlichste Formel findet sich in Methode B der Norm „ASTM D395 Rubber property - Standard test methods for permanent compression deformation“. Ein niedrigerer Prozentsatz deutet auf eine bessere elastische Rückstellung hin.

Die bleibende Druckverformung resultiert aus einer Kombination physikalischer und chemischer Prozesse:

• Physikalische Relaxation: Die Neuanordnung von Polymerketten und -knoten unter Spannung.
• Chemische Veränderungen: Bei hohen Temperaturen können sich im gestreckten Zustand zusätzliche Vernetzungen bilden (Verriegelungsdeformation) oder bestehende Vernetzungen können brechen (Kettenbruch).
• Spannungsrelaxation und Kriechen: Verwandt, aber unterschiedlich: Spannungsrelaxation bezeichnet den Kraftverlust bei konstanter Verformung, Kriechen die zunehmende Verformung bei konstanter Kraft. Die bleibende Druckverformung erfasst die resultierende bleibende Wirkung nach Entlastung.

Zu den Faktoren, die die bleibende Verformung durch Kompression verschlimmern, gehören:

• Hohe Temperaturen (beschleunigen chemische Veränderungen)
• Lange Kompressionszeit
• Übermäßige Kompression (über die empfohlene Kompression hinaus, z. B. mindestens 30 Prozent bei vielen O-Ringen)
• Schlechte Materialauswahl oder unzureichende Aushärtung
• Kontakt mit Flüssigkeiten, Ozon oder Sauerstoff.

Der primäre Standard zur Bestimmung der bleibenden Druckverformung in Elastomeren ist ASTM D395. Dieser Standard beschreibt zwei Methoden:

• Methode A Konstante Kraft
• Methode B Konstante Abweichung (häufiger bei Elastomeren)

Die Proben werden typischerweise für 22–70 Stunden bei einer bestimmten Temperatur (z. B. 70 Grad, 100 Grad oder 150 Grad) auf einen Druck von 25 Prozent komprimiert, anschließend freigegeben und nach der Erholungsphase vermessen.

Zu den weiteren Normen gehören „ISO 815-1 Gummi, vulkanisiert oder thermoplastisch - Bestimmung der bleibenden Druckverformung“ und ähnliche Verfahren für Schäume.

Die Leistungsfähigkeit von Materialien variiert stark:

• Ausgezeichnet (niedrige Festigkeit): Fluorelastomere, einige Silikone, Hochleistungs-Perfluorelastomere.
• Gute Werkstoffe: EPDM, Nitril (NBR), HNBR, einige hochwertige Silikone.
• Mittlere bis hohe Festigkeitsklasse: Naturkautschuk, Basissilikone, einige thermoplastische Elastomere.
• Schwächer: Materialien mit geringer Vernetzungsdichte oder unzureichend vulkanisierten Verbindungen.

Beispielsweise zeigen Fluorelastomere bei Hochtemperaturdichtungen typischerweise nach 70 Stunden bei 150 Grad einen Aushärtungsgrad von weniger als 20 %, während Naturkautschuk einen Aushärtungsgrad von 50-80 % erreichen kann.

Hohe Druckverformungen führen zur Abflachung von O-Ringen oder Dichtungen, wodurch die Kontaktkraft sinkt und bei Bewegung oder Vibration der Bauteile Leckagen auftreten. Schaumstoffdichtungen verlieren an Dicke und es bilden sich Hohlräume. Für dauerhaft statische Dichtungen sollten Materialien mit geringer bleibender Verformung durch Druckverformung gewählt, übermäßige Druckverformungen vermieden und Temperaturabfälle berücksichtigt werden.

Die bleibende Verformung unter Druckbelastung ist eine der wichtigsten Eigenschaften bei der Beurteilung von Elastomeren (wie Kautschuk, Silikonen und Fluorelastomeren) für den praktischen Einsatz. Sie entscheidet unmittelbar darüber, ob ein Bauteil, wie beispielsweise ein O-Ring, eine Dichtung, ein Dichtungselement oder ein Polster, unter kontinuierlicher Druckbelastung über Monate oder Jahre zuverlässig funktioniert oder vorzeitig ausfällt.

Die wichtigsten Gründe, warum diese Funktion so wichtig ist, sind folgende:

• Sie steuert die Langzeit-Dichtungsleistung: Elastomerdichtungen nutzen die elastische Rückstellung, um einen konstanten Anpressdruck (Dichtkraft) gegen die Dichtflächen aufrechtzuerhalten. Bei geringer bleibender Verformung kehrt das Material nahezu in seine ursprüngliche Form zurück, wodurch eine wirksame Abdichtung gegen Flüssigkeiten, Gase, Staub oder Druck über lange Zeit gewährleistet ist.
• Es prognostiziert die Haltbarkeit unter realen Bedingungen und unter Zeitdruck: Die meisten Druckverformungstests werden über Stunden bei hohen Temperaturen durchgeführt. Hohe Temperaturen beschleunigen:
• Zusätzliche Querverstrebungen im gedehnten (komprimierten) Zustand (fixieren die Verformung)
• Kettenbruch oder Spannungsrelaxation (dauerhafter Elastizitätsverlust)
• Direkte Auswirkungen auf Sicherheit, Zuverlässigkeit und Kosten: Hohe bleibende Verformung unter Druck führt zu folgenden Versagensarten:
• Flüssigkeits-/Gaslecks (Hydrauliksysteme, Kraftstoffleitungen, chemische Verarbeitung, Biopharmazeutika, Lebensmittel und Getränke)
• Eindringen von Schadstoffen (Elektronikgehäuse, Automobile, medizinische Geräte)
• Druckverlust (pneumatische Systeme, Ventile)
• Reduzierte Vibrationsdämpfung oder Polsterung (Schaumdichtungen, Befestigungselemente)

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die bleibende Verformung unter Kompression von Bedeutung ist, da sie anzeigt, ob ein Elastomer nach längerer Kompression seine Elastizität verliert. Bei Dichtungsanwendungen führt dieser Elastizitätsverlust häufig zu einem Dichtungsverlust. Die bleibende Verformung unter Kompression beschreibt den Verlust des Formgedächtnisses von Elastomeren unter Dauerbelastung. Für eine zuverlässige und dauerhafte Leistung von Dichtungen und flexiblen Bauteilen ist die Wahl eines Materials mit geringer bleibender Verformung unter Kompression daher entscheidend.

Seit vielen Jahren versteht unser Unternehmen mit seinen kompetenten und erfahrenen Mitarbeitern die Bedürfnisse seiner Kunden, bietet ihnen die benötigten fortschrittlichen Prüfdienstleistungen und unterstützt sie beim Aufbau, der Implementierung und der Optimierung von Managementsystemen. In diesem Rahmen bieten wir Unternehmen auch Druckprüfungen zur dauerhaften Verformung von Elastomeren an.