EPDM – Werkstoffanalyse witterungs- und alterungsbeständiger Elastomere

EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) ist ein Synthesekautschuk mit sehr guter Beständigkeit gegenüber Witterung, Ozon, Heißwasser und zahlreichen polaren Medien. Die Eigenschaften der auf dem jeweiligen Kautschuk basierenden EPDM-Vulkanisate werden maßgeblich durch Ethylen-Propylen-Verhältnis, Art und Menge des Diens, Vernetzungssystem, Weichmacher- und Füllstoffeinsatz mitbestimmt. Aufgrund seiner Eigenschaften wird EPDM z. B. in Dichtsystemen, im Fahrzeugbereich, in der Bauindustrie sowie in Heizungs- und Sanitäranwendungen eingesetzt.

Im Gegensatz zu NBR ist EPDM nicht öl- und kraftstoffbeständig, zeigt jedoch eine deutlich bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber thermo-oxidativer Alterung und Ozoneinwirkung. Für eine werkstofftechnische Bewertung ist daher die Betrachtung des gesamten Compounds erforderlich.

Druckverformungsrest

Struktur- und eigenschaftsbestimmende Parameter

Die Eigenschaften von EPDM werden insbesondere beeinflusst durch:

  • Ethylenanteil und daraus resultierende Polarität und Tieftemperatureigenschaften
  • Art und Menge des Dienmonomers
  • Vernetzungssystem, z. B. Schwefel- oder Peroxidvernetzung
  • Vernetzungsdichte
  • Füllstoffe, Weichmacher und Alterungsschutzmittel
  • thermische und mediale Beanspruchung im Einsatz
     

Die (weitgehend) gesättigte Molekülkette EPDM verleiht dem Werkstoff seine gute Beständigkeit gegenüber Ozon und Sauerstoff. Veränderungen der Vernetzungsstruktur oder Additivsysteme wirken sich unmittelbar auf die Eigenschaften wie Elastizität, Druckverformungsrest und Rissbeständigkeit aus.

 

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Bild 1: Blick auf die Innenseite eines EPDM-Warmwasserschlauches mit starker Rissbildung

Bild 1: Blick auf die Innenseite eines EPDM-Warmwasserschlauches mit starker Rissbildung
  • Liegt eine ausreichende Beständigkeit gegen die in der Anwendung vorhandenen Kontaktmedien und/oder Temperaturen vor?
  • Liegt für Außenanwendungen eine ausreichende Witterungsbeständigkeit vor?
  • Ist die Vernetzungsdichte verändert?
  • Gibt es Hinweise auf Nachvernetzung oder thermische Überbeanspruchung?
  • Weist der Werkstoff im Vergleich zu den Angaben im Datenblatt die Solleigenschaften auf?
  • Ist das Versagen werkstofftypisch oder anwendungsbedingt?

Typische Schadensbilder bei EPDM sind Oberflächenrisse, Verhärtung durch thermische Alterung oder ein starkes Setzverhalten bei Langzeitbeanspruchung. Unter Heißwasser- oder Dampfbelastung können strukturelle Veränderungen auftreten, die sich mehr oder weniger stark auf mechanische Eigenschaften auswirken. Im Bild 1 ist dazu eine lichtmikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines EPDM-Schlauches aus einer Sanitäranlage im Wohnbereich (Warmwasser) gezeigt. Die ausgeprägte Rissbildung ist sehr gut zu erkennen. Diese war die Folge einer kompletten Versprödung des Schlauches aufgrund eines nahezu vollständigen Abbaus des Netzwerkes.

Zur Einordnung werden thermische und spektroskopische Analyseverfahren zur Untersuchung eingesetzt. Diese geben wichtige Informationen zum Aufbau des Materials und erlauben Rückschlüsse in Bezug auf Materialkonstanz oder die Ursache eines Schadens. Quellversuche werden genutzt, um vergleichend die Vernetzungsdichte zu bewerten. Spektroskopische Untersuchungen liefern Hinweise auf chemische Veränderungen oder Additivabbau. Ergänzend erlaubt die mikroskopische Analyse die Bewertung von Rissinitiierung und -ausbreitung.

Branchenbezug – EPDM in Dicht- und Außenanwendungen

Automobiltechnik

Tür- und Fensterdichtungen sind dauerhaft Witterung, UV-Strahlung und Temperaturwechseln ausgesetzt. Ozonrissbildung und Alterungsverhalten stehen hier im Vordergrund.

Bauindustrie

Abdichtungsbahnen und Profile müssen langfristig witterungsstabil bleiben. Veränderungen des Elastizitätsverhaltens oder Oberflächenrisse können die Funktion beeinträchtigen.

Heizungs- und Sanitärtechnik

Kontakt mit Heißwasser und Dampf stellt Anforderungen an Vernetzungsstruktur und Alterungsstabilität.

Elektrotechnik

Isolierende Komponenten erfordern stabile mechanische Eigenschaften bei Temperaturwechselbeanspruchung.

Werkstofftechnische Bewertung von EPDM

PSM untersucht EPDM-Werkstoffe hinsichtlich Vernetzungszustand, thermischem Alterungsverhalten, mechanischen Eigenschaften und möglicher Schadensmechanismen. Die Einordnung basiert auf der Kombination aus thermischer Analyse, Quelluntersuchungen zur Abschätzung der Vernetzungsdichte, spektroskopischer Charakterisierung und mechanischer Prüfung.

Neben der Analyse von Schadensfällen spielt die Untersuchung von EPDM auch in der Werkstoffentwicklung und Werkstoffoptimierung eine Rolle. Veränderungen im Vernetzungssystem, in der Füllstoffformulierung oder in den Prozessparametern lassen sich hinsichtlich ihres Einflusses auf Elastizität, Alterungsverhalten und Druckverformungsrest vergleichen.

Auch im Rahmen der Qualitätssicherung können Unterschiede zwischen Entwicklungs- und Serienmaterial, Chargenschwankungen oder prozessbedingte Abweichungen nachvollziehbar bewertet werden.

Damit dient die werkstofftechnische Untersuchung von EPDM sowohl der Klärung von Bauteilversagen als auch der Absicherung von Entwicklungsprozessen und der Überprüfung der Werkstoffqualität im industriellen Einsatz.

 

 

 

 

Praxisbeispiel

Für eine Dichtungsanwendung mit einem langzeitigen medialen Einwirken sollte der geeignete Werkstoff identifiziert werden. Dazu wurde eine umfassende Beständigkeitsuntersuchung angesetzt. Die beiden vorausgewählten EPDM-Werkstoffe wurden im Ausgangszustand und nach unterschiedlichen Lagerungszeiten in dem betreffenden Medium bei Anwendungstemperatur (oberhalb 80 °C)  mit unterschiedlichen Verfahren geprüft. Die maximale Lagerzeit orientierte sich an der gewünschten Mindest-Lebensdauer des Produkts und betrug mehrere tausend Stunden. In Bild 1 ist exemplarisch die Veränderung des Druckverformungsrestes mit der Zeit gezeigt. Es ist erkennbar, dass beide EPDM-Werkstoffe im Ausgangszustand einen vergleichbaren Wert aufweisen, über die Zeit sich jedoch Unterschiede ergeben. 

Bild 2: Veränderung des Setzverhaltens durch die Lagerung der beiden Werkstoffe in dem Kontaktmedium bei erhöhter Temperatur

Tabelle 1: Prozentuale Veränderung der ermittelten Kennwerte nach der Langzeitlagerung  im Medium im Vergleich zum Ausgangszustand

Tabelle 1 zeigt das umfassende Eigenschaftsbild nach der Langzeitlagerung in Form der prozentualen Veränderungen. EPDM 1 zeigt m Gesamtbild deutlich stärker ausgeprägte Veränderungen der mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu EPDM 2 und kommt deshalb für die Anwendung weniger in Frage. 

 

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