Ozon- und Gummewerfall
Verstehen der Beziehung zwischen Ozon und der Degradation von Gummi.Verstehen der Beziehung zwischen Ozon und der Degradation von Gummi.
Die Kenntnis der Auswirkungen von Ozon auf Gummi ist für Ingenieure und Designer von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei der Entwicklung von Produkten für Außenbereiche oder Ozonarmen Umgebungen. Selbst bei geringen Konzentrationen kann Ozon im Laufe der Zeit zu einer erheblichen Degradierung von Gummimaterialien führen und deren Leistung und Lebensdauer beeinträchtigen.
Die Hauptwirkung von Ozon auf Gummi besteht in der Auftrennung von Schäden, insbesondere entlang exponierter, gedehnter oder beanspruchter Bereiche. Dieses Phänomen, oft als Trockenverrottung bezeichnet, entsteht aufgrund der Zersetzung der Molekularstruktur des Gummis durch ozoninduzierte freie Radikale. Diese Degradation kann die Integrität und Funktionalität von Gummi-Bauteilen beeinträchtigen und in verschiedenen Anwendungen Sicherheits- und Zuverlässigkeitsprobleme mit sich bringen.
Verschiedene Kautschukpolymeren weisen unterschiedliche Widerstandswerte gegenüber der Ozonabspaltung auf. In der Regel sind weniger gesättigte Kautschukpolymeren anfälliger für Ozonwirkung, da sie in ihrer Struktur eine höhere Anzahl von Doppel- und Dreifachbindungspunkten enthalten. Diese ungesättigten Bindungen werden zu Zielmolekülen für ozoninduzierte freie Radikale, was zu einer Verschlechterung des Materials führt.
EPDM-Gummi zeichnet sich durch seine außergewöhnliche Stabilität in ozonreichen Umgebungen aus und ist damit die bevorzugte Wahl für Anwendungen, die eine hohe Ozongetätigkeit erfordern, wie z. B. die Abdichtung von Autotüren und die Abdichtung von Fenstern gegen äußere Einflüsse. Die inhärente Beständigkeit von Gummimaterialien bestimmt seine Eignung für bestimmte Anwendungen und gewährleistet Langlebigkeit und Leistungsfähigkeit unter schwierigen Umweltbedingungen.
Um das Verhalten von Gummimaterialien bei der Exposition gegenüber Ozon zu bewerten, werden standardisierte Testmethoden wie ASTM D1171 eingesetzt. Diese Methoden bieten einen systematischen Ansatz zur Bewertung der Ozongeschwindigkeit und können feststellen, ob ein Material die vorgegebenen Kriterien für die Bestätigung oder Ablehnung erfüllt. Darüber hinaus ermöglichen diese Tests die Messung der Wachstumsrate von Rissen im Material und bieten Einblicke in seine Haltbarkeit und den Abnutzungsprozess im Laufe der Zeit.
Die Verwendung von Ozon-Testkammern wie der Mast/Keystone 700-10LTA ermöglicht die kontrollierte Belichtung von Gummiexemplaren mit Ozon unter simulierten Umweltbedingungen. Durch die Belastung der Proben mit vorgegebenen Belastungen und die Überwachung der Ozonkonzentrationen können Ingenieure die Leistung eines Materials genau bewerten und dessen Lebensdauer in realen Anwendungen vorhersagen.
Insgesamt sind das Verständnis der Auswirkungen von Ozon auf Gummi sowie die Anwendung geeigneter Testmethoden unerlässliche Schritte, um die Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit von Gummi-Produkten in verschiedenen Anwendungen zu gewährleisten.
Modulen für die Prüfung vorbereiten
Modulen für die Prüfung vorbereiten
Um die Module für die Prüfung vorzubereiten, werden sie zunächst 70-72 Stunden in einem Labor unter Raumtemperatur gebracht, bevor sie in eine ozonfreie Kammer überführt werden und dort weitere 70-72 Stunden bei 40°C gehalten werden. Dieser Prozess bewirkt, dass die Wachse im Material an die Oberfläche gelangen und so die Gummieigenschaften verbessern.
Testmodulen in einer Ozonschale
Die Standardprüfung beginnt mit einer Ozonkonzentration von 50±5 Teilen pro Milliarde (pphm) für 72 Stunden. Anschließend werden die Testmodule extrahiert und anhand zweier primärer Kriterien evaluiert: A) der Ausmaß der Rissbildung bei einer Vergrößerung von 2x und B) deren Übereinstimmung mit dem festgelegten Referenzwert. Es ist wichtig anzumerken, dass diese Module auch regelmäßig in 24- und 48-Stunden-Intervallen bewertet werden.
EPDM-Gummi, Silikon-Gummi und HNBR-Gummi
Einige der am häufigsten verwendeten Gummiprodukte in der Industrie umfassen Ethylenpropylen-diene-monomer (EPDM)-Gummi, Silikon, hydriertes Nitril-butadien-Gummi (HNBR) und Nitril. EPDM, Silikon und HNBR bieten in der Regel hervorragende Eigenschaften und erreichen oft eine anerkannte Bewertung von 0, wenn sie anhand der Spezifikationen zur Ozonabbaufestigkeit bewertet werden.
Nitrile-Gummi (Buna-N)
Stattdessen weist Nitril (Buna-N) nur geringe Ozonbeständigkeit auf und zeigt häufig Risse in den Außenbereichen des Moduls. Daher erhält Nitril in der Regel eine vergleichsweise schlechtere Bewertung, was verdeutlicht, warum es trotz seiner Verfügbarkeit nicht immer die optimale Wahl sein kann. Insbesondere weist Nitril bei medizinischen Anwendungen eine erhebliche Schwachstelle auf. Obwohl die ersten Tests zufriedenstellende Ergebnisse liefern können, zeigen Feldtests oft Defekte aufgrund der Ozonschädigung, die manchmal bereits bei der bloßen Lagerung des medizinischen Geräts auf einem Schreibtisch für einen längeren Zeitraum sichtbar werden.
Manchmal entscheiden sich Produktentwickler, wenn sie Materialien mit hoher Ozonbeständigkeit wie Ethylenpropylen verwenden, dafür, die Belastungshöhe zu verlängern, um die letzte Phase des Testverfahrens zu erfüllen. In solchen Fällen wird die Dauer in der Ozonkammer auf sechs Wochen verlängert, wobei die Testproben alle zwei Wochen für eine Inspektion abgeholt werden, um Anzeichen von Rissen zu erkennen.
Die Underwriters Laboratories (UL) führt eine weitere Ausdehnung der Exposition durch die Testmethode UL 157 durch, die Verbindungen hinsichtlich ihrer Eignung für die Exposition gegenüber atmosphärischem und generiertem Ozon bewertet. Diese Methode beinhaltet die Belastung montierter Proben unter bestimmten Bedingungen: einen Ozonpartialdruck von 90-110 Millipascalen (MPa) für 70 Stunden bei einer Temperatur von 40 ± 2 °C (104 ± 3,6 °F) für Anwendungen mit atmosphärischem Ozon und einen Ozonpartialdruck von 10.000 bis 15.000 Millipascalen (mPa) für 70 Stunden bei der gleichen Temperatur für Anwendungen mit generiertem Ozon.
Einige Entwickler entscheiden sich für einen alternativen Ansatz innerhalb dieser Testmethode und setzen stattdessen auf die Freiluftbelastung anstatt einer kontrollierten Kammer. Bei dieser Methode werden die Teile so positioniert, dass sie nach Süden geneigt sind und einen Winkel von 45° zur Erde haben, um sie zu belasten. Der Vorteil dieser Technik liegt in der Realzeit-Belastung durch die Umwelteinflüsse, was eine authentischeren Beurteilung der Materialleistung ermöglicht. Allerdings kann die gleiche Realzeit-Belastung auch eine Herausforderung darstellen. Es ist oft unpraktisch, auf eine solche lange Dauer zu warten, um den Beginn der Verschlechterung zu beobachten, insbesondere wenn man ein Material verwendet, das gegen Umwelteinflüsse und Ozon resistent ist.
Einige Entwickler entscheiden sich für einen alternativen Ansatz innerhalb dieser Testmethode und setzen stattdessen auf die Freiluftbelastung anstatt einer kontrollierten Kammer. Bei dieser Methode werden die Teile so positioniert, dass sie nach Süden geneigt sind und einen Winkel von 45° zur Erde haben, um sie zu belasten. Der Vorteil dieser Technik liegt in der Realzeit-Belastung durch die Umwelteinflüsse, was eine authentischeren Beurteilung der Materialleistung ermöglicht. Allerdings kann die gleiche Realzeit-Belastung auch eine Herausforderung darstellen. Es ist oft unpraktisch, auf eine solche lange Dauer zu warten, um den Beginn der Verschlechterung zu beobachten, insbesondere wenn man ein Material verwendet, das gegen Umwelteinflüsse und Ozon resistent ist.
Wenn Ozon die Kautschukpolymerisate angreift, verwenden Verarbeiter Wachse und Antiozonanreager – chemische Zusatzstoffe in der Formulierung, die freie Radikale neutralisieren, die durch Ozon erzeugt werden, bevor sie die Kautschukstruktur schädigen können – um den Kautschuk zu schützen. Die Wachse bilden eine Schutzschicht auf der Oberfläche, die die Eindringung von Ozon verlangsamt. Dieses Phänomen ist oft sichtbar bei der Kauf von neuen Reifen, da Verbraucher die Wachsschicht auf der Reifenoberfläche bemerken können. Daher werden Personen, die neue Fahrrad- oder Motorradreifen kaufen, oft geraten, zunächst langsam zu fahren, um die Wachsschicht zu entfernen und eine ordentliche Straßenreibung zu gewährleisten, bevor sie regelmäßig gefahren werden.
EPDM, Silikon, HNBR, Neopren, FKM und Fluorsilikon-Gummi zeigen eine überlegene Resistenz gegen Ozon, während Nitril, Naturkautschuk und SBR anfälliger für Ozonbeschädigungen sind. Bei der Konstruktion ist es wichtig zu prüfen, ob der Gummielement auch während der Lagerung mit Ozon in Kontakt kommt. Hierfür sind Faktoren wie die gewünschte Lebensdauer des Bauteils nach der Exposition und die Nähe von elektrischen Motoren oder Geräten zu dem Gummielement zu berücksichtigen. Die Beantwortung dieser kritischen Designfragen ist vor der Auswahl des geeigneten Gummimaterials unerlässlich.
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