NBR und HNBR – Werkstoffanalyse technischer Elastomere für Dicht- und Antriebssysteme

NBR (Acrylnitril-Butadien-Kautschuk) ist ein weit verbreiteter Elastomerwerkstoff für öl- und kraftstoffbeständige Anwendungen. HNBR (Hydrierter NBR) basiert auf NBR, dessen Doppelbindungen durch Hydrierung weitgehend gesättigt wurden. Dadurch verbessert sich insbesondere die thermische und oxidative Stabilität.

Beide Werkstoffe werden vor allem in Dichtungen, O-Ringen, Schläuchen und dynamisch beanspruchten Bauteilen eingesetzt. Die werkstofftechnische Bewertung erfordert die Betrachtung von Polymerstruktur, Acrylnitrilgehalt, Vernetzungssystem und Füllstoffformulierung.

 

Struktur- und eigenschaftsbestimmende Parameter

Die Eigenschaften von NBR und HNBR werden insbesondere beeinflusst durch:

  • Acrylnitrilgehalt (Glasübergangstemperatur)
  • Grad der Hydrierung bei HNBR (Beständigkeit)
  • Vernetzungssystem (Beständigkeit, mechanische und thermische Eigenschaften)
  • Vernetzungsdichte (mechanische Eigenschaften)
  • Füllstoffe und Weichmacher  (mechanische Eigenschaften)
  • thermische und mediale Beanspruchung
     

Ein höherer Acrylnitrilgehalt verbessert die Ölbeständigkeit, reduziert jedoch die Tieftemperaturflexibilität. Die Hydrierung bei HNBR reduziert die Anzahl reaktiver Doppelbindungen und erhöht die Beständigkeit gegenüber Hitze, Sauerstoff und Ozon, verändert aber gleichzeitig auch die mechanischen Eigenschaften.

 

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Typische werkstofftechnische Fragestellungen bei NBR

  • Liegt thermo-oxidative Alterung vor?
  • Ist die Vernetzungsdichte verändert?
  • Sind Medien in den Werkstoff eingedrungen?
  • Ist das Versagen materialbedingt oder anwendungsbedingt?

NBR ist empfindlich gegenüber Ozoneinfluss und muss diesbezüglich gut stabilisiert werden. Durch den Angriff des Ozons, werden die Polymerketten gespalten und es kann innerhalb kürzester Zeit um Auftreten von Ozonrissen kommen. 

NBR neigt unter erhöhter Temperatur und Sauerstoffeinfluss zu Kettenabbau oder Nachvernetzung. Dies äußert sich häufig in Verhärtung, Rissbildung oder erhöhtem Druckverformungsrest. HNBR zeigt hier ein stabileres Verhalten, kann jedoch unter extremen Bedingungen ebenfalls altern.

Quellung in Kraftstoffen oder Ölen beeinflusst mechanische Eigenschaften und kann zu Maßänderungen führen. Eine differenzierte Betrachtung von Quellverhalten, Vernetzungsgrad und Polymerstruktur ist daher erforderlich.

 

Bild 1: Ozonrisse in einem NBR-Bauteil

Analytische Betrachtung und Schadensmechanismen

Zur werkstofftechnischen Einordnung werden thermische Analyseverfahren zur Bewertung des Zersetzungsverhaltens eingesetzt. Quellversuche ermöglichen Rückschlüsse auf Vernetzungsdichte und Netzwerkstruktur. Spektroskopische Untersuchungen erlauben die Unterscheidung zwischen NBR und HNBR sowie die Bewertung möglicher chemischer Veränderungen.

Typische Schadensmechanismen sind:

  • Rissbildung infolge thermischer Alterung
  • Verhärtung durch Nachvernetzung
  • Quellung und Eigenschaftsverlust unter Medienkontakt
  • Abrieb oder Ermüdung bei dynamischer Beanspruchung
     

Gerade bei dynamisch belasteten Bauteilen ist die Wechselwirkung zwischen mechanischer Beanspruchung und chemischer Alterung zu berücksichtigen.

Branchenbezug – NBR und HNBR im technischen Einsatz

Eine werkstofftechnische Bewertung muss Polymerstruktur, Vernetzungssystem und Einsatzbedingungen gemeinsam betrachten.

Automobil- und Antriebstechnik

Dichtungen, Wellendichtringe und Schläuche stehen unter Kontakt mit Ölen, Kraftstoffen und erhöhten Temperaturen. Hier ist die Abgrenzung zwischen werkstoffbedingter Alterung und Überbeanspruchung wesentlich.

Maschinen- und Anlagenbau

Hydraulik- und Pneumatiksysteme erfordern beständige Elastomere mit definiertem Druckverformungsverhalten.

 

 

Energietechnik und Industrieanwendungen

Erhöhte Temperaturen und aggressive Medien stellen besondere Anforderungen an Alterungsstabilität und Vernetzungsstruktur.

 

Praxisbeispiel

Bild 2: NBR-Bauteil mit Rissen

Ein Bauteil, welches aus einem NBR-Werkstoff gefertigt war, zeigte nach kurzer Einsatzzeit starke Rissbildung, welche zur Undichtigkeit und damit Reklamation führte. Das folgende Bild 2 zeigt dazu exemplarisch eine lichtmikroskopische Aufnahme der Oberfläche. Die Risse sind sehr gut zu erkennen. Es sollte die Frage beantwortet werden, welche Ursache liegt dieser Rissbildung zugrunde. 

Es wurde eine Schadenshypothese formuliert und entsprechend eine instrumentelle Analyse aufgesetzt. Diese enthielt unter anderem einen Nachstellversuch, mit dem geprüft werden sollte, ob das verwendete Material beständig gegen Ozonrisse ist. Wie in Bild 3 zu erkennen ist, traten nach dem Ozonbelastungstest ebenfalls deutlich ausgeprägte Risse auf. Damit wurde der Nachweis erbracht, dass der verwendete NBR-Werkstoff nicht beständig gegen Ozonrissbildung ist und die im Bauteil beobachteten Risse ebenfalls durch einen Ozoneinfluss entstanden sind. Die Abhilfemaßnahme ist demzufolge die Verwendung eines ozonbeständigen Werkstoffes für die betroffene Anwendung. 

Bild 3: Probe des Bauteils nach einem Ozonbelastungstest (Nachstellversuch)

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