Tabelle 2 zeigt die wichtigsten Kautschuk-Arten für O-Ringe , Handelsbezeichnungen und Temperaturbereiche (rezepturabhängig)
Die chemische Einwirkung auf ein Polymer verändert dessen Struktur, d. h., es kann zu weiteren Vernetzungen oder zum Abbau kommen. Dabei ändern sich die physikalischen Eigenschaften wesentlich, d. h., der Werkstoff versprödet und bekommt Risse, oder er wird kaugummiartig weich und klebrig. Chemische Einwirkungen sind irreversibel und sind daher durch eine sorgfältige Werkstoffauswahl auszuschließen. Das heißt, dass eine gründliche Werkstoffauswahl die Polymerverträglichkeitsprüfung mit allen Gemischanteilen mit einschließen muss.

Beispiele für chemische Unverträglichkeiten aus aufgetretenen Schadensfällen sind:

• FKM in Gemischen mit Aminen
• FKM in Rohöl bei 180 °C
• FKM in starken Laugen
• VMQ oder FKM in Heißwasser/Dampf über 150°C

Neben einer möglichen chemischen Einwirkung auf das Polymer ist eine unzulässige Volumenänderung der O-Ringe durch die Wechselwirkung mit den umgebenden Medien (Quellung oder Schrumpfung) auszuschließen.

Die Volumenänderung ist eine Folge einer physikalischen Einwirkung, bei der zwei Vorgänge gleichzeitig ablaufen:
1.Das Polymer absorbiert das abzudichtende Medium, was zu einer Volumenzunahme führt. Diese Volumenzunahme kann weit über 100 % betragen.
2.Das abzudichtende Medium löst die extrahierbaren Mischungsbestandteile aus der Dichtung heraus, wie zum Beispiel Weichmacher, Verarbeitungshilfsmittel oder Alterungsschutzmittel. Der Anteil extrahierbarer Bestandteile in Gummimischungen kann bis zu 30 % bezogen auf das Volumen betragen.
Überwiegt die Absorption, so erhöht sich dadurch etwas die Dichtkraft und die Kälteflexibilität verbessert sich. Standard O-Ring Einbaunuten berücksichtigen mögliche Volumenquellungen von mindestens 15 %, in der Regel gelten für ruhende Abdichtungen bis zu 30 % Volumenzunahmen als unkritisch. Viel empfindlicher reagieren O-Ring Dichtungen gegenüber Volumenabnahmen. Diese führen zu einem erheblichen Verlust der durch die Verformung des O-Ringes eingeleiteten Dichtkraft. Daher ist darauf zu achten, Dichtungswerkstoffe mit möglichst geringen Anteilen extrahierbarer Bestandteile einzusetzen, auf keinen Fall sollte dieser Anteil größer als 10 % (Vol) betragen. Der extrahierbare Anteil kann durch eine Kraftstoff- oder Aceton-Lagerung (oder einem Gemisch) und anschließender Rücktrocknung ausreichend genau bestimmt werden.

Neben der möglichen chemischen oder physikalischen Einwirkung ist auch die Betriebstemperatur ein wichtiges Auswahlkriterium bei der Werkstoffauswahl. Bei einer thermischen Einwirkung auf den O-Ring ergeben sich für das Dichtverhalten zwei wesentliche Auswirkungen:

1. eine bleibende Verformung, d.h., die durch die Querschnittsverformung des O-Ringes erzeugte Flächenpressung lässt nach,
2. eine Alterung, d.h., die elastischen Eigenschaften verändern sich, in der Regel führt dies zu einer Härtezunahme und zu einem Verlust der elastischen Eigenschaften.

Ein O-Ring erzeugt seine anfängliche Dichtflächenpressung allein aus der Verformung des Querschnitts. Durch eine Druckbeaufschlagung wird die Flächenpressung wesentlich erhöht. Der kritische Betriebszustand von O-Ring-Dichtungen ist daher der Niederdruckbereich (<10 bar), wo die Dichtkraft durch die elastischen Eigenschaften des O-Ring-Werkstoffes erzeugt wird. Unter der Einwirkung von Hitze kann die Dichtwirkung des Werkstoffes sehr schnell nachlassen, ohne dass die polymertypische Temperaturgrenze überschritten werden muss. Unterschiede bezüglich dieser für O-Ringe wichtigen Funktionseigenschaft können durch Druckverformungsrestprüfungen [ 6] an O-Ringen festgestellt werden.

Ein Druckverformungsrest (DVR) von 100 % heißt, dass keine Rückstellkraft mehr vorhanden ist, ein Wert von 0 % stellt den idealen Zustand dar. DVR-Werte beziehen sich immer auf bestimmte Prüfzeiten und Prüftemperaturen. Zu beachten ist, dass prinzipiell unterschieden werden muss zwischen den DVR-Werten , die auf technischen Datenblättern von Gummi-Werkstoffen (Compounds) angegeben sind und den effektiven DVR-Werten, die sich an den unter Serienbedingungen hergestellten O-Ringen ergeben. Datenblatt-Werte des Druckverformungsrestes werden im Allgemeinen an genormten Probekörpern ermittelt, die unter idealen Vulkanisationsbedingungen hergestellt wurden. Die Vulkanisationsbedingungen von O-Ringen, die unter Serienbedingungen gefertigt werden, können davon erheblich abweichen, zudem hat auch die Form und die Dicke des Prüflings einen Einfluss auf die Höhe des gemessenen Druckverformungsrest-Wertes. Somit gibt es oft erhebliche Abweichungen innerhalb des gleichen Dichtungswerkstoffes, das heißt der gleichen Rezeptur, zwischen Datenblatt-Werten und den Ergebnissen, die an O-Ringen ermittelt werden.

Die Abhängigkeit des Druckverformungsrestes an O-Ringen, sozusagen die Funktionsqualität, lässt sich wie folgt darstellen :
Funktionsqualität (DVR) = Rezepturqualität x Verarbeitungsqualität

Die multiplikative Verknüpfung bedeutet, dass eine hohe Rezepturqualität wirkungslos bleibt, wenn ein O-Ring bei der Herstellung nicht unter den richtigen Bedingungen vulkanisiert wird. Die Rezepturqualität eines Werkstoffes wird über Normprobekörper ermittelt, die teilweise bis zu 20 Minuten lang vulkanisiert werden, O-Ringe dagegen werden unter Serienbedingungen oft nur 30 Sekunden vulkanisiert. Daher haben Datenblatt-Angaben lediglich eine Aussagekraft über die Rezepturqualität, das heißt über das Leistungsvermögen der Rezeptur. Ob das an den O-Ringen auch ausgeschöpft wird, entscheidet sich an den Bedingungen bei der Verarbeitung (Vulkanisations- und Temperbedingungen).
Eine Verarbeitungsstudie, die an peroxidisch vernetzten HNBR-O-Ringen ermittelt wurde (Bilder 3 und 4), zeigt einerseits die hohe Empfindlichkeit des DVR-Wertes gegenüber zu niedrigen Werkzeugtemperaturen, andrerseits belegen diese Diagramme, dass eine starke Untervernetzung von O-Ringen (T=170 °C) nicht über eine Härtemessung nachgewiesen werden kann, da die fertigungsbedingten Streuungen der Härtewerte fast durchweg innerhalb einer Bandbreite von 10 Härtepunkten liegen.

Bei allen drei Werkzeugtemperaturen liegen die Härtewerte nach 180 Sekunden sehr eng beieinander, obwohl die bei 170 °C vulkanisierten O-Ringe einen DVR von 100 % zeigen und damit stark untervernetzt sind. Auf die Praxis übertragen heißt das, dass erst DVR-Messungen an den O-Ringen selbst Aufschluss über den Vernetzungszustand der O-Ringe erbringen, und dass die Härte der O-Ringe beziehungsweise die Formstabilität der O-Ringe eine Untervulkanisation zu ungenau anzeigen.

Eine Versprödung und der Verlust der Reißdehnung beziehungsweise der Elastizität infolge Alterung macht sich erst im Endstadium deutlich funktionsmindernd auf statische O-Ring Dichtungen bemerkbar, so dass dem Reaktionsmechanismus der bleibenden Verformung in Bezug auf die Lebensdauer bei O-Ringen mehr Bedeutung zukommt.

Vergleicht man das Angebot des Marktes an O-Ringen aus Standard-Werkstoffen bezüglich DVR-Werte ,Tabelle 3, so zeigen sich innerhalb gleicher Polymerfamilien erhebliche Unterschiede als Folgen der oben beschriebenen Einflüsse der Rezeptur und der Fertigungsbedingungen. Diese Ergebnisse aus Tabelle 3 erfassen nur einen Teil der wirklichen Bandbreite, wie sie sich aus einer begrenzten Anzahl von Vergleichstests ergeben hat.

Bei allen drei Werkzeugtemperaturen liegen die Härtewerte nach 180 Sekunden sehr eng beieinander, obwohl die bei 170 °C vulkanisierten O-Ringe einen DVR von 100 % zeigen und damit stark untervernetzt sind. Auf die Praxis übertragen heißt das, dass erst DVR-Messungen an den O-Ringen selbst Aufschluss über den Vernetzungszustand der O-Ringe erbringen, und dass die Härte der O-Ringe beziehungsweise die Formstabilität der O-Ringe eine Untervulkanisation zu ungenau anzeigen.

Eine Versprödung und der Verlust der Reißdehnung beziehungsweise der Elastizität infolge Alterung macht sich erst im Endstadium deutlich funktionsmindernd auf statische O-Ring Dichtungen bemerkbar, so dass dem Reaktionsmechanismus der bleibenden Verformung in Bezug auf die Lebensdauer bei O-Ringen mehr Bedeutung zukommt.

Vergleicht man das Angebot des Marktes an O-Ringen aus Standard-Werkstoffen bezüglich DVR-Werte ,Tabelle 3, so zeigen sich innerhalb gleicher Polymerfamilien erhebliche Unterschiede als Folgen der oben beschriebenen Einflüsse der Rezeptur und der Fertigungsbedingungen. Diese Ergebnisse aus Tabelle 3 erfassen nur einen Teil der wirklichen Bandbreite, wie sie sich aus einer begrenzten Anzahl von Vergleichstests ergeben hat.

Wichtige rezepturbedingte Unterschiede von NBR- und EPDM- Werkstoffen

Sowohl bei NBR- als auch bei EPDM-Werkstoffen enthalten die Rezepturen teilweise erhebliche Anteile extrahierbarer Bestandteile wie Weichmacher und Verarbeitungshilfen. Weichmacher in Gummiwerkstoffen verbessern die Tieftemperaturflexibilität und die Fließfähigkeit beim Spritzgießen, sie reduzieren den Mischungspreis und führen zu geringeren Volumenzunahmen bei Quelltests, indem die Weichmacher substituiert werden. O-Ringe können zu 30 % (Vol.) Weichmacher enthalten. Wenn diese nicht wegen extremer Kälteanforderungen benötigt werden, sollten diese bei O-Ring-Werkstoffen vermieden oder zumindestens eingeschränkt werden, da sie durch Hitzeeinwirkung oder durch Auswaschungen zu Volumenabnahmen führen, die der Verpressung des O-Ring -Querschnittes entgegenwirken . Das Auswaschen oder Ausgasen extrahierbarer Bestandteile läuft unter Anwendungsbedingungen relativ langsam ab, so dass der O-Ring bereits erheblich bleibend verformt ist, bis der Volumenschwund zum Stillstand kommt. Damit steht dem O-Ring nur noch ein Teil seiner Elastizität zur Kompensation zur Verfügung, da bis dahin bereits eine deutliche bleibende Verformung des O-Ringes eingetreten ist. Hohe Weichmacheranteile in O-Ringen können auf diese Weise die Betriebszeiten bis zur Leckage wesentlich verkürzen. Daher sollten O-Ringe höchsten 10 % Weichmacheranteile besitzen, je weniger desto besser. Peroxidisch vernetzte EPDM O-Ringe aus dem oberen Leistungsbereich sind oft ganz weichmacherfrei.

Bei NBR-Wekstoffen kommt dem Acrylnitril-Gehalt im Polymer eine wichtige Funktion bei den Werkstoffeigenschaften zu. Handelsübliche NBR-Polymere enthalten einen Acrylnitril-Gehalt zwischen 18 % und 50 , Standard NBR-Rezepturen enthalten oftmals einen mittleren Acrylnitril-Gehalt zwischen 28 und 38 %. Werkstoffe mit einem niedrigen Acrylnitril-Gehalt zeigen eine bessere Kälteflexibilität, höhere Quellraten in Ölen, niedrigere Druckverformungsrest-Werte und höhere Permeationsraten. Wichtig ist als Anwender zu wissen, dass sich diese Eigenschaften nicht unabhängig voneinander einstellen lassen, so dass sich zum Beispiel eine gute Kälteflexibilität nicht mit einer guten Ölbeständigkeit bei NBR-Werkstoffen kombinieren lässt. Die Bilder 5 und 6 [ 7] zeigen das Kälteverhalten eines Standard NBR-Werkstoffes und einer Tieftemperatur-NBR-Mischung. Während die gezeigte Standard NBR-Mischung bereits bei -30°C einen Druckverformungsrest weit über 90 % besitzt, zeigt die Tieftemperatur NBR-Mischung erst ab ca -54 °C eine solch hohe bleibende Verformung.

Kälteverhalten eines Standard NBR-Werkstoffes mit mittleren Acrylnitrilgehalt

So kann allein die richtige Auswahl einer Werkstoffrezeptur bei den untersuchten NBR-O-Ringe ein deutliches Mehr an Lebensdauer erbringen, eine weitere Verlängerung kann durch die Wahl einer möglichst dicken Schnurstärke erzielt werden.

Innerhalb der Klasse der Äthylen-Propylen-Dien-Werkstoffe (EPDM) gibt es bezüglich des Temperaturbereiches erhebliche rezepturbedingte Unterschiede. Unterschiedliches Tieftemperaturverhalten ergibt sich durch das Äthylen/Propylen-Verhältnis des Polymers, Tabelle 5.