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Komponenten Elastomerdichtungen und biologische Fluide Bio – Lösung aller Probleme? Elastomerdichtungen im Einsatz mit biogenen Medien Dipl.-Ing. (FH) Michael Krüger Immer mehr biogene Fluide kommen in unterschiedlichsten technischen Anwendungen zum Einsatz. Tendenz stark steigend. Die Motivation ist hierbei teilweise sehr unterschiedlich. Die Einsatzgebiete erstrecken sich von der der chemischen Prozessindustrie und deren Peripherie bis hin zu Einsatzgebieten in der Forst-, Land- und Wasserwirtschaft. Der Einsatz dieser biogenen Medien stellt allerdings eine enorme Herausforderung an die elastomeren Dichtungen dar. Als biologische Fluide werden umweltschonende, biologisch schnell abbaubare und nicht toxische Medien bezeichnet. Diese werden zumeist aus Biomasse hergestellt. Doch warum kommt es zum vermehrten Einsatz dieser Fluide, woraus resultiert die Motivation zum Einsatz dieser Medien? Neben dem Umweltschutzaspekt durch Vermeidung von Kontaminationen des Erdreichs durch Fahrzeuge oder von Gewässern, ist auch der Klimaschutz zur Reduzierung des Treibhausgases CO 2 ein immer wichtiger werdendes Argument. Darüber hinaus kann eine größere Unabhängigkeit vom Erdöl erreicht werden, da es sich meist um nachwachsende Rohstoffe handelt. Letztendlich ausschlaggebend für den Durchbruch verschiedener biogener Medien dürfte allerdings die Gesetzgebung mittels EU-Richtlinien gewesen sein. In vielen öffentlichen Ausschreibungen sind beispielsweise biogene Fluide in den Baufahrzeugen vorgeschrieben. Doch ein Austausch dieser Fluide gegen bestehende, auf Mineralöl basierende Medien, ist nicht ohne Einschränkungen durchführbar, denn die Auswirkungen auf viele Bauteile sind teilweise noch unbekannt und sehr viele Elastomerdichtungen sind für diesen Einsatz ungeeignet. Die Einführung des Vergasertreibstoffes E10 ist auch auf regulatorische Markteingriffe zurückzuführen und auch hier verhalten sich viele Bauteile im Kontakt anders als mit herkömmlichem Benzin. In diesem Zusammenhang ist auch die gesamte chemische Prozessindustrie direkt und indirekt betroffen, die in die Herstellung, Abb. 1: Biologisch abbaubare Hydraulikflüssigkeiten in der Mobilhydraulik. Photo: Fotolia/GHotz Lagerung und Beförderung dieser Medien involviert ist. Problem beim Einsatz von Hydraulikflüssigkeiten in empfindlichen Ökosystemen Generell ist die Flüssigkeit am umweltfreundlichsten, die gar nicht erst aus der Maschine austritt. Doch trotz Einsatz modernster Maschinen kann es sowohl beim Betrieb stationärer Hydraulikanlagen, wie Schleusen, Wehre, Wasserkraftanlagen als auch beim Betrieb von Baumaschinen, Pistengeräte im Gebirge, Geräten in der Land- und Forstwirtschaft durch Undichtigkeiten zu Verunreinigungen von Gewässern und Böden kommen. In diesem Fall müssen die Hydraulikflüssigkeiten und Schmierstoffe frei von ökotoxikologisch kritischen Stoffen sein. In der hydraulischen Antriebstechnik werden deshalb zunehmend biologisch abbaubare Hydraulikflüssigkeiten eingesetzt. Diese können herkömmliche FKM Dichtungen jedoch stark angreifen und machen einen langfristigen Einsatzzeitraum nahezu unmöglich. Biologisch abbaubare Hydraulikflüssigkeiten bestehen entweder aus Triglyceriden, wobei es sich oft um pflanzliche Öle (z. B. Rapsöl) mit der Bezeichnung HEES (Hydraulik Oil Environmental Ester Synthetic) handelt oder um synthetischen Ester mit der Bezeichnung HEES (Hydraulik Oil Environmental Ester Synthetic). Diese Fluide sind als Schadstoffe der Schadstoffklasse I zugeordnet. In der modernen Hydraulik werden verstärkt auch Spezial-Hochleistungs-Hydraulikflüssigkeiten eingesetzt. Diese sind additiviert, aber nicht auf Mineralölbasis hergestellt. Es handelt sich hierbei um synthetische, wasserfreie Flüssigkeiten (HFD), 34 GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2022
Komponenten Elastomerdichtungen und biologische Fluide welche eine höhere Dichte als Mineralöl haben und schwer entflammbar sind. Hierzu zählen u. a. Phosphorsäureester (HFD-R), wasserfreie chlorierte Kohlenwasserstoffe (HFD-S) oder eine Mischung aus HFD-R und HFD-S, sowie wasserfreie andere Zusammensetzungen (HFD-U), bestehend aus Fettsäureestern. Allerdings greifen sowohl die biologisch abbaubaren als auch die synthetischen Hydraulikflüssigkeiten herkömmliche elastomere Dichtungswerkstoffe an. Ein Hochleistungs-FKM-Compound muss in all diesen Bereichen auch über einen langen Zeitraum problemlos einsetzbar sein. E10 Vergaserkraftstoff Auch wenn der E10 Kraftstoff schon lange eingeführt ist, gibt es immer noch Diskussionen um die 10%ige Ethanolbeimischung zum handelsüblichen Benzin (E10) – sowohl auf Anwenderseite als auch bei den Dichtungsherstellern. Die Elastomerdichtungen, die dauerhaft mit dem E10 Vergaserkraftstoff in Kontakt kommen, sind keineswegs nur in den E10-Kraftstoff verbrennenden PKW oder LKW selbst zu finden, sondern in der Peripherie der gesamten Herstellungs- und Beförderungskette dieser Kraftstoffe. Die Hersteller als auch Logistiker, haben mit dem E10 Vergaserkraftstoff teilweise größte Schwierigkeiten. So verkürzen sich die Wartungsintervalle teilweise extrem, da die bisher eingesetzten Dichtungen nicht lang genug widerstandsfähig sind. Einfluss auf die Dichtungswerkstoffe Konventionelle Dichtungswerkstoffe, die nicht speziell für den Kontakt mit biogenen Medien ausgelegt sind, können bei dauerhaftem Kontakt mit diesen Fluiden unterschiedliche negative Veränderungen aufweisen. So kommt es bei diesen Dichtungswerkstoffen zu Änderungen der physikalischen Eigenschaften. Hierzu zählen beispielsweise eine Volumenänderung (Quellung) oder auch eine Änderung der Werkstoffhärte. Zudem kann auch die chemische Beständigkeit (z. B. durch Hydrolyse) stark Abb. 2: Dichtungsherausforderung bei Kraftstoffen mit Bioanteil reduziert werden. Alle Veränderungen Tests auf unübliche Extremsituationen redu zieren die Dichtungsei- genschaften z. T. erheblich und führen früher oder später zur Leckage bzw. zum vorzeitigen Austausch der Dichtungen. ausgeweitet. Auch hier übergenschaften zeugte der FKM Werkstoff BF 750 mit Ergebnissen, die weit unterhalb jeder Toleranzgrenze liegen, wie die nachstehenden Daten belegen. Neben den rein biogenen Kraftstoffen wurden Getesteter FKM Werkstoff für den Einsatz in biogenen Medien auch entsprechende Verschnit- te mit konventionellen Kraftstoffen in die Untersuchung mit einbezogen. Der unabhängige Hersteller C. Otto Gehrckens GmbH (COG) hat speziell für diese Einsatzgebiete einen FKM Dichtungswerkstoff mit der Bezeichnung Neben einer sehr guten Heißwasser- und Dampfbeständigkeit, ist dieser FKM-Werkstoff laut Hersteller auch resistent gegenüber al- „BF 750“ entwickelt, der sich in len herkömmlichen Kraftstoffen der Praxis vielfältig bewährt hat. Bei diesem Werkstoff handelt es sich um ein hochfluorhaltiges Polymer der 3. Generation auf Basis von Fluorkautschuk (FKM). Dieser Compound wurde von der COG Mischungsentwicklung speziell für die hohen Anforderungen im Einsatz in biogenen Medien entwickelt und in einem unabhängigen und vielen anderen Medien, wie beispielsweise Alkoholen und Säuren. Der entwickelte Werkstoff BF 750 ist überall dort einsetzbar, wo die Dichtungsmaterialien mit den oben genannten Medien in Kontakt kommen. Hierzu zählen Hydraulikkomponenten, Rohre, Leitungen, Ventile, Tankstellen-Zapfanlagen und deren Labor getestet. Das Peripherie, Pumpen, Motoren, Kupp- Ergebnis übertraf alle Erwartungen, lungen, Vakuumpumpen, Kessel, denn im normalen Einsatz sind praktisch Autoklaven, Schlauchdichtungen, keine Werkstoffveränderungen aufgetreten. Deshalb wurden die etc. Die Einsatzgebiete sind äußerst vielseitig. GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2022 35
