Vergleich der Alterung von Elastomerdichtungen in Luft und Wasserstoff
Quelle: BAM
In Lagerbehältern für radioaktive Stoffe kommen Elastomerdichtungen zum Einsatz, deren Betriebsdauer mehrere Jahrzehnte betragen kann. Deswegen wurde die Alterung und Lebensdauervorhersage von Elastomerdichtungen untersucht. Dabei wurden vertiefte Kenntnisse darüber gewonnen, wie die Alterung von verschiedenen Elastomerklassen abläuft und wie die Lebensdauer von O-Ring-Dichtungen bestimmt werden kann. Aufgrund der gesammelten Expertise im Bereich der Elastomeralterung wurde im Rahmen der Wasserstoffinitiative der BAM mit vorhandenen Kapazitäten eine Untersuchung zur Alterung von Elastomermaterialien in Wasserstoff durchgeführt und die Ergebnisse mit vorhandenen Daten von luftgealterten Proben verglichen. Die Ergebnisse können helfen abzuschätzen, welche Elastomermaterialien für eine Wasserstoffinfrastruktur geeignet sind und inwiefern bestehende Gasleitungen mit Wasserstoff als möglichen zukünftigen Energieträger betrieben werden können.
Es wurden Proben aus drei verschiedenen Elastomermaterialien untersucht: Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR) und Fluorkautschuk (FKM). Dabei kamen verschiedene Probengeometrien für unterschiedliche Messungen zum Einsatz: O-Ring-Segmente mit 10 mm Schnurdurchmesser für Druckverformungsrestmessungen, 2 mm dicke Flachproben für Dichte- und Härtemessungen sowie Zugversuche, außerdem Permeationsproben mit 0,3 mm Dicke. Mithilfe eines eigens konstruierten Probenhalters wurden diese in den Autoklaven eingelagert und für ca. 10, 30 und 100 Tage bei 150 °C und 50 bar Wasserstoffdruck gealtert. Die thermo-oxidativ gealterten Proben wurden bei Umgebungsdruck (ca. 1 bar) in Umluftöfen bei 150 °C gealtert.
Während sich Härte, Dichte und Zugeigenschaften von EPDM und HNBR bei der Alterung unter Luft stark veränderten, waren bei der Alterung unter Wasserstoff nur geringfügige Effekte zu erkennen. Dies war zu erwarten, da Sauerstoff als Treiber der Degradation in der Wasserstoffatmosphäre nicht vorhanden ist. FKM, das auch unter Luft sehr stabil ist und nur sehr langsam altert, zeigte unter Wasserstoff jedoch vergleichbare geringe Alterungserscheinungen. Allerdings war in den Zugeigenschaften eine stärkere Versteifung des Materials unter Wasserstoff zu erkennen. FKM weist außerdem die niedrigste Wasserstoffpermeabilität von den drei untersuchten Materialien auf, d.h. das Wasserstoffgas kann nur sehr langsam durch das Material diffundieren. EPDM hingegen weist eine deutlich höhere Permeabilität auf als die anderen beiden Materialien. Für die Anwendung als Dichtung in Gasleitungen ist dies eher ungünstig, da dies zu einer entsprechend erhöhten Leckage bzw. Gasverlust führt.
Weiterhin wurden Druckverformungsrestmessungen durchgeführt. Dabei wird die Rückstellung von verpresst gealterten Proben nach Lösung der Verpressung gemessen. Auch hier zeigten sich bei EPDM und HNBR deutlich kleinere Alterungseffekte unter Wasserstoff als bei den in Luft gealterten Proben. EPDM wies sogar die niedrigsten Werte aller drei Materialien auf (s. Bild). Bei FKM stellten sich wieder für beide Medien ähnliche Werte ein, was den Schluss nahelegt, dass Sauerstoff auch bei Alterung in Luft keine signifikante Bedeutung für die Degradation von FKM hat. Bei den verpresst für 100 Tage in Wasserstoff gealterten FKM-O-Ring-Stücken traten zusätzlich Risse auf (s. Bild). Aufgrund der niedrigen Permeabilität des FKM-Materials konnte das unter erhöhtem Druck (50 bar) ins Material eingelagerte Wasserstoffgas bei Reduzierung des Drucks nicht schnell genug entweichen und führte zu Blasenbildung im Material („Rapid gas decompression“). Da die 100 Tage gealterten Proben mehreren Beaufschlagungs- und Entgasungszyklen unterworfen waren, förderte dies wahrscheinlich die Entstehung der Risse. Da die Risse nur in der verpresst gealterten Probe auftraten, können sowohl die Materialspannungen durch die Verpressung als auch die geringere für die Entgasung verfügbare Oberfläche aufgrund der Verpressplatten die Rissbildung begünstigen.
Zusammenfassend zeigte EPDM die beste Alterungsbeständigkeit unter Wasserstoff, allerdings auch die höchste Gasdurchlässigkeit. HNBR zeigte im Vergleich die stärksten Alterungseffekte sowohl unter Luft als auch unter Wasserstoff. FKM wies ähnliche Degradationserscheinungen unter Luft und Wasserstoff auf, zeigte allerdings bei Wasserstoffalterung eine erhöhte Versteifung im Zugversuch und Risse nach 100 Tagen verpresster Alterung.
Vergleich der Alterung von Elastomerdichtungen in Luft und Wasserstoff
M. Zaghdoudi, Anja Kömmling, Martin Böhning, Matthias Jaunich
International Journal of Hydrogen Energy, Volume 63, 18 April 2024, Pages 207-216