Verlauf des Druckverformungsrests (DVR) über der Zeit für eine 10 d bei 125 °C gealterte EPDM-Probe und der dazugehörige Fit. Die gebrochene Linie zeigt den Wert des DVR nach Wärmebehandlung und deckt sich mit dem Wert nach einem Jahr bei Raumtemperatur.
Quelle: BAM FB 3.4
Der Fachbereich 3.4 der BAM führt im Rahmen atomrechtlicher Genehmigungsverfahren die sicherheitswissenschaftliche Begutachtung von Lagerbehältern für radioaktive Stoffe durch. In solchen Behältern kommen auch Elastomerdichtungen zum Einsatz, deren Betriebsdauer mehrere Jahrzehnte betragen kann. Aus diesem Grund ist die Alterung und Lebensdauervorhersage von Elastomerdichtungen ein relevantes Forschungsthema im FB 3.4, zu dem seit mehreren Jahren Untersuchungen laufen. Dabei wurden vertiefte Kenntnisse darüber gewonnen, wie die Alterung von verschiedenen Elastomerklassen abläuft und wie die Lebensdauer von O-Ring-Dichtungen bestimmt werden kann. Im vorgestellten Paper liegt der Schwerpunkt auf der Analyse des elastischen Rückstellverhaltens von EPDM-Dichtungen im Verlauf der Alterung.
Das Paper umfasst Teilergebnisse der umfangreichen Alterungsuntersuchungen, die jedoch nicht an tatsächlich für diesen Einsatzzweck verwendeten Materialien, sondern an kommerziellen Standardmaterialien der jeweiligen Elastomerklasse durchgeführt wurden. O-Ringe bzw. Segmente aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) wurden bis zu 5 Jahre bei 75 °C, 100 °C, 125 °C und 150 °C gealtert. Das elastische Rückstellvermögen wurde hauptsächlich mittels Druckverformungsrest charakterisiert. Der Druckverformungsrest ist ein Maß für die bleibende Rückstellung einer Gummiprobe nach einer Alterung im verpressten Zustand. Nach Verpressung des Dichtungssegments um 25 % wird es für eine bestimmte Zeit bei erhöhter Temperatur gelagert und damit künstlich gealtert. Nach Ende der Alterung und Abkühlung wird die Probe aus dem verpressten Zustand ausgebaut und beginnt sich aufgrund der elastischen Eigenschaften des Gummimaterials zurückzustellen. Laut der entsprechenden Normen wird die zurückgestellte Höhe 30 min nach Entlastung der Verpressung gemessen. Ein Druckverformungsrest (DVR) von 0 % entspricht dabei einer vollständigen Rückstellung zur ursprünglichen Höhe vor der Verpressung, während ein DVR von 100 % keinerlei Rückstellung entspricht und damit sehr starke Degradation anzeigt. Die Rückstellung ist jedoch zeitabhängig und schreitet nach der Messung 30 min nach Entlastung weiter fort. Daher wurde der DVR nach weiteren Zeiten bis zu einem Jahr gemessen. Um die Rückstellung zu beschleunigen, wurden die Proben außerdem einer Wärmebehandlung (ein Tag bei 100 °C) unterzogen. Der DVR nach Wärmebehandlung entsprach etwa dem DVR nach einem Jahr Rückstellzeit bei Raumtemperatur (s. Abbildung). Der DVR nach Temperung ist der DVR im Gleichgewicht, bei dem angenommen wird, dass er nur durch chemische Änderungen während der Alterung bestimmt wird (und nicht durch reversible oder zeitabhängige physikalische Prozesse) und ist deswegen ein gutes Maß für die Degradation der Dichtung. Zusätzlich korreliert der DVR mit der Dichtkraft und ist demzufolge ein besserer Indikator für die Dichtheit und damit Lebensdauer der Dichtung als andere, z.B. mechanische Eigenschaften. Daher wird mit den DVR-Werten eine Zeit-Temperatur-Verschiebung durchgeführt, bei denen die bei verschiedenen Temperaturen gemessenen Werte so auf der logarithmischen Zeitskala verschoben werden, dass sich eine geschlossene Masterkurve bei der gewählten Referenztemperatur ergibt. Auf diese Weise lassen sich bei höheren Temperaturen gemessene Daten zu niedrigeren Temperaturen extrapolieren. Mit einem geeigneten Lebensdauerkriterium, das in früheren Arbeiten als 80 % DVR ermittelt wurde, kann damit die Lebensdauer für die untersuchten Temperaturen abgeschätzt werden.
Understanding the recovery behaviour and the degradative processes of EPDM during ageing
Maha Zaghdoudi, Anja Kömmling, Matthias Jaunich, Dietmar Wolff
veröffentlicht in Polymer Testing, Band 121, Erste Seite 107987
BAM Abteilung Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher
BAM Fachbereich Sicherheit von Lagerbehältern