Alterung bei Elastomeren

Alterung beschreibt bei Elastomeren den allmählichen Prozess, durch den diese im Laufe der Zeit ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften verlieren, insbesondere ihre Elastizität und Flexibilität. Dieser Vorgang, der – ähnlich wie auch der Abrieb – die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Elastomerkomponenten maßgeblich beeinflusst, resultiert einerseits aus einer Kombination äußerer Einflüsse. Dazu zählen Temperatur, UV-Strahlung, Ozon oder chemische Substanzen. Andererseits treiben auch die intrinsischen Eigenschaften des Materials den Alterungsprozess voran – etwa die Molekülstruktur oder die Additive im Werkstoff.

Ursachen der Alterung

Die Alterung von Elastomeren ist ein komplexer Prozess. Das Verständnis dieser Alterungsmechanismen ist entscheidend für die Auswahl und den Einsatz von Elastomeren in anspruchsvollen Anwendungen. Von der Werkstoffauswahl über die Compoundierung bis hin zum Bauteildesign können so gezielte Maßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer von Elastomerbauteilen über die gesamte Einsatzdauer hinweg ergriffen werden.

Thermische Belastungen spielen eine wesentliche Rolle bei der Alterung. Erhöhte Temperaturen beschleunigen chemische Reaktionen im Elastomer, insbesondere die thermische Oxidation. Dies führt zu einer Degradation der Polymerketten, was sich in einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften manifestiert. Bei der Auslegung von Dichtungen oder Formteilen für Hochtemperaturanwendungen muss dieser Aspekt besonders berücksichtigt werden.

Oxidative Prozesse, ausgelöst durch den Kontakt mit Luftsauerstoff, stellen eine weitere Herausforderung dar. Diese Reaktionen greifen die Polymerketten an und können sie aufbrechen, was zu einer signifikanten Materialschwächung führt. Ungesättigte Elastomere wie NR oder SBR sind hierfür besonders anfällig und erfordern oft den Einsatz spezieller Antioxidantien.

UV-Strahlung setzt photochemische Reaktionen in Elastomeren in Gang, die zur Bildung freier Radikale führen. Diese Radikale können wiederum Polymerketten aufbrechen oder quervernetzen, was in der Praxis zu Versprödung und Materialabbau führt. Bei Außenanwendungen, etwa bei Profildichtungen oder Faltenbälgen, ist die UV-Beständigkeit daher ein kritischer Faktor.

Ozoneinwirkung und ihre Folgen werden ebenfalls häufig unterschätzt. Besonders bei ungesättigten Elastomeren wie NR, SBR oder BR führt sie zu beschleunigter Alterung. Ozon greift die Doppelbindungen in den Polymerketten an, was zu Rissbildung und Versprödung führt. Dieses Phänomen, bekannt als Ozonrissbildung, ist besonders bei Elastomerbauteilen im Außeneinsatz zu beachten und erfordert oft den Einsatz spezieller Ozonschutzmittel oder die Wahl ozonbeständiger Werkstoffe wie EPDM oder FKM.

Chemische Einflüsse durch aggressive Medien wie Säuren, Laugen oder Lösungsmittel können die Polymerstruktur nachhaltig schädigen. Die Auswahl des entsprechend chemisch beständigen Elastomers, beispielsweise FKM für Mineralölumgebungen oder EPDM für den Einsatz in Umgebungen mit Einwirkungen von Bremsflüssigkeiten, ist essenziell für die Langzeitstabilität des Werkstoffs.

Mechanische Beanspruchungen, insbesondere zyklische Belastungen, führen zu Ermüdungserscheinungen im Elastomer. Die Bildung von Mikrorissen, die sich über die Zeit vergrößern, kann schließlich zum Versagen des Bauteils führen – etwa bei dynamisch belasteten Komponenten wie Faltenbälgen. Diese müssen wiederholten Dehnungen und Kompressionen standhalten, sodass hier die richtige Materialauswahl und -auslegung unter Berücksichtigung der mechanischen Alterung entscheidend für eine lange Lebensdauer und zuverlässige Funktion ist.

Anzeichen und Auswirkungen von Alterung bei Elastomeren

Was für das menschliche Leben gilt, trifft in gewissem Maße auch auf Elastomere zu: Alterung findet nicht über Nacht statt – es handelt sich um einen fortschreitenden Prozess. Er manifestiert sich in verschiedenen Formen, die die Funktionalität und Zuverlässigkeit der Bauteile beeinträchtigen können.

Eine der häufigsten Auswirkungen ist eine Zunahme der Härte des Werkstoffs. Das Elastomer verliert seine Flexibilität, wird spröder und zeigt eine verminderte Anpassungsfähigkeit an Verformungen. Dies kann besonders bei Dichtungsanwendungen problematisch sein, da die Dichtungswirkung nachlässt.

Parallel zur Verhärtung tritt oft eine Abnahme der Reißfestigkeit und Bruchdehnung auf. Das Material wird anfälliger für Rissbildung und kann unter Belastung leichter brechen. An der Oberfläche können feine Risse entstehen, die sich mit der Zeit ausbreiten und zu Materialversagen führen können.

Eine weitere sichtbare Folge der Alterung sind Farbveränderungen. Diese können von leichten Verfärbungen bis hin zu deutlichen Vergilbungen oder Verbräunungen reichen. Obwohl Farbänderungen nicht immer direkt die mechanischen Eigenschaften beeinflussen, sind sie ein Indikator für chemische Veränderungen im Material.

Viele Elastomere neigen im Zuge der Alterung auch zu Dimensionsveränderungen. Sie können schrumpfen oder quellen, was in Präzisionsanwendungen zu erheblichen Problemen führen kann. Bei dynamisch beanspruchten Bauteilen kann zudem ein erhöhter Abrieb auftreten, der die Lebensdauer zusätzlich verkürzt.

Methoden zur Verzögerung der Alterung bei Elastomeren

Glücklicherweise sind Elastomere dem Alterungsprozess nicht schutzlos ausgeliefert – der richtige Umgang macht den Unterschied. Wie etwa bereits die richtige Lagerung der Komponenten: Kühle, trockene und dunkle Umgebungen verlangsamen den Alterungsprozess erheblich. Dabei sollten extreme Temperaturwechsel und direkte Sonneneinstrahlung vermieden werden. Ebenso wichtig ist die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit. Diese sollte weder zu hoch noch zu niedrig sein, um das Material vor Austrocknung oder vor der Förderung von Oxidationsprozessen zu schützen. Obendrein müssen elastomere Komponenten bei der Lagerung sowohl von chemischen Substanzen als auch von Ozonquellen ferngehalten werden – etwa von Motoren, Schweißgeräten oder UV-Lampen.

Wo im Einsatz des Elastomerprodukts ein Kontakt mit Chemikalien oder anderen aggressiven Medien unvermeidbar ist, können spezielle Beschichtungen oder die Wahl resistenterer Elastomertypen Abhilfe schaffen. In manchen Fällen ist auch der Einsatz von Schutzgehäusen oder Abschirmungen sinnvoll, um die Einwirkung schädlicher Umwelteinflüsse zu minimieren.

Auch schon bei der Compoundierung des Elastomers können Maßnahmen ergriffen werden: Der Einsatz von Alterungsschutzmitteln wie Antioxidantien, UV-Stabilisatoren oder Ozonschutzmitteln kann die Widerstandsfähigkeit gegen verschiedene Alterungsmechanismen deutlich erhöhen. Die Wahl und Dosierung dieser Additive muss dabei sorgfältig auf den Anwendungsfall abgestimmt werden. Ein Beispiel für ein Additiv, das bei der Compoundierung zugesetzt werden kann, sind spezielle Ozonschutzwachse. Das Wachs migriert an die Oberfläche des Elastomers und bildet dort eine schützende Schicht. Diese Schicht reagiert dann bevorzugt mit Ozon und nimmt somit den größten Teil der Ozonbelastung auf, wodurch das darunterliegende Elastomer vor direktem Ozonangriff bewahrt wird. Das Wachs trägt so die Hauptlast der Ozonreaktion und schließlich zur Verlängerung der Lebensdauer des Elastomers bei.

Für kritische Anwendungen empfiehlt sich ein regelmäßiges Monitoring der Bauteile. Durch zyklische Inspektionen und Messungen können Alterungserscheinungen frühzeitig erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Dies kann von einfachen visuellen Prüfungen bis hin zu komplexen materialtechnischen Untersuchungen reichen.