Die Entwicklung des Polyurethans zur Dichtung

Thomas Schwarz, Managing Director, SKF Economos GmbH, Judenburg, Österreich

Die 75-jährige Geschichte der Polyurethane begann mit der Entdeckung der Isocyanat-Polyadditionsreaktion durch O. Bayer und sein Team der IG-Farben-Fabrik und war der Grundstein für einen der vielfältigsten und erfolgreichsten Polymerwerkstoffe. Die Entwicklung von elastischen, massiven Polyurethanwerkstoffen wie Heißgießelastomere, thermoplastische Elastomere und Polyurethankautschuk erfolgte in den 1940-er und 50-er Jahren, wenn auch immer der Weltverbrauch bis zum Jahr 1970 noch deutlich unter 10.000 t/Jahr betragen hat.

 

test_failure07cAbb. 1: Durch Degradation zerstörte Polyurethandichtung

 

Danach erfolgte ein rasantes Wachstum der Polyurethan­elastomere, nichtsdestotrotz machen die Elastomere heute deutlich weniger als 10 % des gesamten Polyurethanverbrauches aus. Davon werden wiederum weniger als 1 % für Dichtungen verwendet, d.h. wir sprechen hier von einem echten Nischenmarkt, der jedoch extreme Einsatzbedingungen von den Produkten abverlangt.

Bei den Polyurethanelastomeren handelt es sich polymerphysikalisch um sogenannte segmentierte Blockcopolymere. Dieser spezielle Aufbau, basierend auf der Phasentrennung von physikalisch vernetzten Hartsegmentdomänen und sogenannten Weichsegmenten, verleiht den Materialien die für Dichtungen notwendige Gummielastizität und im Gegensatz zu chemisch vernetzten Elastomeren die Vorzüge der thermoplastischen Verarbeitbarkeit.Für die Synthese von Polyurethanelastomeren steht eine Vielzahl von Rohstoffen aus der Gruppe der Diisocyanate, Polyole auf Basis von Ester- und Etherverbindungen, sowie Kettenverlängerer mit Glykol- oder Aminstruktur zur Verfügung. Daraus lässt sich je nach Rezeptur eine große Anzahl von Elastomeren unterschiedlicher Härte und Eigenschaften synthetisieren.

 

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Abb.2: Beständigkeitsuntersuchung eines hydrolyse beständigen Polyurethans (H-ECOPUR) im Vergleich
zu einem Standard-Dichtungswerkstoff in heißem Meerwasser
 

 

Die Geschichte der Polyurethanelastomere in der Dichtungstechnik geht auf die späten 1960-er bzw. frühen 70-er Jahre zurück und war in den ersten Jahren mit erheblichen Funktionsproblemen behaftet. Dies war einerseits darauf zurückzuführen, dass eine neue Werkstoffklasse mit Anwendungen wie z.B. in der Schwerhydraulik konfrontiert worden war und dabei auf keine Erfahrungswerte zurückgegriffen werden konnte, und andererseits auch auf das Fehlen von speziellen Rohstoffen mit den entsprechenden Eigenschaften und auf noch nicht optimierte Synthese- und Verarbeitungsprozesse. Dabei kristallisierte sich die unzureichende Hydrolyse- und Chemikalienbeständigkeit der damaligen Polyurethanwerkstoffe als besonderes Problem heraus, was insbesondere in den wärmeren Erdregionen zu chemischer Schädigung und damit frühzeitigem Dichtungsversagen (das passierte oft schon während der Lagerung) zur Folge hatte (Abbildung 1 zeigt eine durch chemischen Angriff zerstörte Polyurethandichtung). Des Weiteren führte der unzureichende Druckverformungsrest der damaligen Werkstoffe zum Verlust der Dichtungsvorspannung und damit Dichtkraft, woraus hohe Leckagewerte und unzureichende Standzeiten der Dichtungen resultierten. Dies hatte zur Folge, dass viele Dichtungshersteller und -anwender trotz der auf der Hand liegenden Vorteile dieser neuen Werkstoffkategorie - wie hohe Dichtigkeit und Druckbeständigkeit, überlegene Verschleißfestigkeit sowie die Verarbeitung der Werkstoffe mit klassischen thermoplastischen Verarbeitungsmethoden - wieder auf bewährte Dichtungssysteme auf Gummibasis zurückgegriffen haben.

 

Grossdichtung_FAPUAbb. 3: Großdichtung aus Polyurethan, hergestellt mit der Seal Jet Drehtechnologie

 

Doch der Siegeszug der Polyurethane in der Dichtungstechnik wurde dadurch nur kurz verzögert. In den 1980-er Jahren entwickelten sich die Polyurethane zu einem der führenden Dichtungswerkstoffe, insbesondere in der Hydraulik und Pneumatik. Dies wurde durch verschiedene Faktoren ermöglicht. Durch intensive Erforschung und damit zunehmendes Verständnis der Werkstoffeigenschaften, die Entwicklung neuer Basisrohstoffe und adäquate Verarbeitungsprozesse konnte die Qualität der Produkte maßgeblich gesteigert werden. Des Weiteren haben zahlreiche führende Dichtungshersteller erkannt, dass für die Optimierung der dichtungsspezifischen Eigenschaften maßgeschneiderte Polyurethanwerkstoffe notwendig sind. Dies hat dazu geführt, dass Dichtungshersteller in eigene Syntheselinien und Entwicklungsabteilungen investiert haben und somit die Werkstoffentwicklung und -herstellung selbst vorangetrieben haben.

Die von den Dichtungsherstellern heutzutage verwendeten Polyurethanqualitäten haben mit den Werkstoffen aus den Anfängen der ­Polyurethangeschichte nur die Grundchemie gemeinsam. Sie wurden im Hinblick auf alle für dynamische Dichtungen wesentlichen Eigenschaften wie mechanische Festigkeit, Druck-, Temperatur- und Verschleißbeständigkeit, Rückstellvermögen und bleibende Deformation sowie insbesondere hydrolytische und chemische Beständigkeit enorm verbessert. Mittlerweile sind Polyurethane in Anwendungen mit Hydraulikdrücken bis zu mehreren hundert Bar sowie Temperaturen über 100 °C problemlos einsetzbar. Durch die Verwendung ausgewählter Spezialrohstoffe sind heutzutage sogar Anwendungen in heißem Meerwasser möglich und beherrschbar.


Foto-Biographie-TSBiographie: Thomas Schwarz hat an der Montanuniversität Leoben, Österreich, Kunst­stofftechnik studiert und 1993 mit dem Doktorat abgeschlossen. Thomas Schwarz ist Geschäftsführer der SKF Economos GmbH in Judenburg, Österreich, und ist verantwortlich für die Forschung und Entwicklung für Fluid System Seals der SFK Sealing Solutions.